Операционный усилитель: принцип виртуальной земли и другие сомнения [закрыто]

Если операционный усилитель усиливает разницу между V + и V-, как он может работать, если по принципу виртуальной земли V + = V-, и поэтому, если V + = V-, нет разницы для усиления.

Вы правы, в реальной жизни операционный усилитель сам по себе (без обратной связи) представляет собой не что иное, как дифференциальный усилитель. Выходное напряжение – это разница между$+$и$-$входы, умноженные на коэффициент усиления без обратной связи (Aol):

$V_{OUT} = (V_+ − V_−)*A_{OL}$

Кроме того, вы должны помнить, что коэффициент усиления разомкнутого контура операционного усилителя очень велик; поэтому очень небольшое изменение входного напряжения вызовет большое изменение на выходе (рис. b, c и d).

Разность напряжений на входе должна быть равна:

$V_+ - V_− = \frac{Vout}{A_{OL}} = \frac{3V}{100\: 000} = 30\mu V$(рис. г)

Как видите, эта разница действительно очень мала. Следовательно, мы можем без большой ошибки сказать, что$V_+ \approx V_−$когда операционный усилитель работает в линейной области (отрицательная обратная связь применяется вокруг операционного усилителя) и когда усиление разомкнутого контура очень велико.

Кроме того, в теории цепей мы анализируем схему, предполагая, что у нас есть идеальный операционный усилитель. И одно из свойств идеального операционного усилителя заключается в том, что он имеет бесконечно большой коэффициент усиления без обратной связи. Попробуйте подумать об этом какое-то время. И я надеюсь, что теперь вы понимаете, почему$V_+ = V_−$верно для идеального случая операционного усилителя (бесконечное усиление без обратной связи).

Вернуться к основному

При повышении напряжения на входе «+» (неинвертирующий) выходное напряжение также увеличивается. Повышение напряжения на «-» входе (инвертирующий вход) приводит к уменьшению выходного напряжения. Снижение напряжения на входе «-» увеличивает выходное напряжение.

Теперь попробуйте проанализировать эту схему:

В этой схеме используется отрицательная обратная связь с помощью резистора R2.

Теперь давайте разберемся, как отрицательная обратная связь, возвращаемая через R2, влияет на работу усилителя. Чтобы начать наше обсуждение, давайте на мгновение заморозим входной сигнал, когда он проходит через 0 вольт. В этот момент операционный усилитель не имеет входного напряжения (т. е. VD = 0 = напряжение между (+) и (-) входными клеммами (VD)). Именно это дифференциальное входное напряжение усиливается коэффициентом усиления операционного усилителя и становится выходным напряжением. В этом случае выходное напряжение будет равно 0. Теперь предположим, что выходное напряжение попыталось дрейфовать в положительном направлении. Вы можете видеть, что это положительное изменение будет ощущаться через R2 и приведет к тому, что инвертирующий контакт (-) операционного усилителя станет немного положительным, поскольку по существу ток не течет ни на входе операционного усилителя, ни на входе (+) операционного усилителя. операционный усилитель находится под потенциалом земли. Это приводит к тому, что VD больше 0, а клемма (-) является наиболее положительной. Когда VD усиливается операционным усилителем, на выходе появляется отрицательное напряжение (действие инвертирующего усилителя). Это заставляет выход, который изначально пытался дрейфовать в положительном направлении, вернуться в свое 0-состояние. Аналогичное, но противоположное действие произойдет, если выход попытается дрейфовать в отрицательном направлении. Таким образом, пока вход удерживается на уровне 0 вольт, выход вынужден оставаться на уровне 0 вольт.

Теперь предположим, что мы позволили входному сигналу подняться до мгновенного уровня +2 В и заморозили его для дальнейшего обсуждения. При подаче +2 В на R1 и 0 В на выходе операционного усилителя делитель напряжения, состоящий из R2 и R1, будет иметь два вольта на нем. Поскольку клемма (-) операционного усилителя не потребляет значительного тока, делитель напряжения практически не нагружен. Мы можем видеть, даже без вычисления значений, что ввод (-) теперь будет положительным. Его значение будет несколько меньше 2 вольт из-за действия делителя напряжения, но оно обязательно будет положительным. Теперь операционный усилитель будет усиливать это напряжение (VD) для создания отрицательного выходного сигнала. Когда выпуск начинает увеличиваться в отрицательном направлении, делитель напряжения теперь имеет положительное напряжение (+2 вольта) на одном конце и отрицательное напряжение (увеличение выходного сигнала) на другом конце. Следовательно, вход (-) все еще может быть положительным, но он будет уменьшаться по мере того, как выход становится более отрицательным. Если выход становится достаточно отрицательным, то контакт (-) (VD) станет отрицательным. Однако если этот контакт когда-либо станет отрицательным, то напряжение будет усилено и появится на выходе в виде положительного сигнала. Итак, вы видите, что для заданного мгновенного напряжения на входе выход будет быстро возрастать или уменьшаться, пока выходное напряжение не станет достаточно большим, чтобы заставить VD вернуться в состояние, близкое к 0. Все эти действия происходят почти мгновенно, так что изменения на входе немедленно влияют на результат. но он будет уменьшаться по мере того, как результат становится более отрицательным. Если выход становится достаточно отрицательным, то контакт (-) (VD) станет отрицательным. Однако если этот контакт когда-либо станет отрицательным, то напряжение будет усилено и появится на выходе в виде положительного сигнала. Итак, вы видите, что для заданного мгновенного напряжения на входе выход будет быстро возрастать или уменьшаться, пока выходное напряжение не станет достаточно большим, чтобы заставить VD вернуться в состояние, близкое к 0. Все эти действия происходят почти мгновенно, так что изменения на входе немедленно влияют на результат. но он будет уменьшаться по мере того, как результат становится более отрицательным. Если выход становится достаточно отрицательным, то контакт (-) (VD) станет отрицательным. Однако если этот контакт когда-либо станет отрицательным, то напряжение будет усилено и появится на выходе в виде положительного сигнала. Итак, вы видите, что для заданного мгновенного напряжения на входе выход будет быстро возрастать или уменьшаться, пока выходное напряжение не станет достаточно большим, чтобы заставить VD вернуться в состояние, близкое к 0. Все эти действия происходят почти мгновенно, так что изменения на входе немедленно влияют на результат. для данного мгновенного напряжения на входе выход будет быстро увеличиваться или уменьшаться до тех пор, пока выходное напряжение не станет достаточно большим, чтобы заставить VD вернуться в состояние, близкое к 0. Все эти действия происходят почти мгновенно, так что изменения на входе немедленно влияют на результат. для данного мгновенного напряжения на входе выход будет быстро увеличиваться или уменьшаться до тех пор, пока выходное напряжение не станет достаточно большим, чтобы заставить VD вернуться в состояние, близкое к 0. Все эти действия происходят почти мгновенно, так что изменения на входе немедленно влияют на результат.

И ситуация в схеме, когда коэффициент усиления разомкнутого контура имеет конечное значение.

Если операционный усилитель усиливает разницу между V+ и V-, как он может работать, если по принципу виртуальных масс V+=V-, и поэтому, если V+=V- нет разницы для усиления.

Принцип виртуальных узлов (приравнивание одного к другому) применяется только при наличии отрицательной обратной связи . Без резисторов обратной связи работать не будет. Если обратной связи нет, то для определения выходного значения необходимо использовать уравнение усиления без обратной связи Vout = Aol*(V+-V-).

Если рассматривать эту схему как идеальную для ОУ, то почему V+=V-? (Почему существует принцип виртуальных масс) Почему напряжение на V+ равно напряжению на V-?

Если операционный усилитель имеет отрицательную обратную связь, он приложит все усилия, чтобы на клеммах было одинаковое значение, поэтому мы можем считать их равными.

Взгляните на эту схему, мой учитель говорит, что I1 равен I2, но я не могу понять, почему: введите описание изображения здесь

В идеальном операционном усилителе ток не может течь в V+ или V - они имеют бесконечное сопротивление/импеданс. Таким образом, ток может проходить только через резисторы. В реальном мире ток очень мал, обычно нА или пА в V+ и V-, а входной импеданс очень-очень высок, намного больше мегаомного диапазона.

I1 и I2, которые пойдут к точке виртуальной массы (точка, отмеченная на этом фото), куда они пойдут в конце? Пойдут ли они на физическую землю?

Проблема в условности ваших токов, которая вызывает путаницу. На вашей диаграмме с тем, как вы нарисовали стрелки, I2 = -I1. В идеальном операционном усилителе ток не может проходить через порт V+ или V-.

1) Из-за резисторов обратной связи. Выходное напряжение колеблется до такого напряжения (если возможно), что разница между V- и V+ равна нулю.

2) Изображение не показывает обратную связь, поэтому выход операционного усилителя не может изменять V+ или V-. Изображение просто показывает, что идеальный операционный усилитель имеет входные контакты, почти бесконечное входное сопротивление, а выходное напряжение равно входному напряжению, умноженному на почти бесконечное усиление.

3) Поскольку ток не протекает через операционный усилитель V-, весь ток, протекающий через R1, также должен протекать через R2, другого пути для тока нет. И поскольку это инвертирующий операционный усилитель, выход должен быть отрицательным, чтобы получить ноль вольт на V-, следовательно, Vo = -Vin.

4) Текущие направления совпадают, а не противоположны. Таким образом, ток со входа поступает на выход операционного усилителя через оба резистора.