Какой опорный потенциал используется операционным усилителем в качестве «земляного» потенциала?

Оно не знает и не заботится. Внутренняя схема операционного усилителя работает следующим образом:

Uвых близок к 0 В, когда U1 < U2, и Uвых близок к полному напряжению питания Us, когда U1 > U2. Как раз вокруг случая U1=U2 находится переходная зона A. Ее ширина в практических операционных усилителях значительно меньше одного милливольта. Никто не гарантирует, что зона является линейной или симметричной относительно нуля, но обычно операционные усилители используются со схемой обратной связи, которая заставляет операционный усилитель выдавать такое значение Uвых, что U1-U2 находится внутри переходной зоны.

Нас часто делят последовательно на две части. Говорят, что верхняя часть является положительным запасом, а нижняя часть - отрицательным. Средняя точка называется землей, и все напряжения в прикладных проектах относятся к ней. Но внутренне операционный усилитель ссылается на один из полюсов напряжения питания Us.

В недорогих конструкциях ИС внутренняя схема не может принять значения U1 и U2, они должны быть между 0 и +Us, и необходим некоторый запас. Запас необходим, по крайней мере, на одном конце диапазона 0...+Us, чтобы оставить некоторое рабочее пространство для внутренней схемы.

Многим покупателям не нужен запас при 0 В, они хотят, чтобы U1 и U2 могли быть 0 В. Если внутренняя схема спроектирована правильно (= входные транзисторы PNP), полезный диапазон для U1 и U2 составляет от нуля до 1...1,5 В меньше, чем Us. Одна старая и хорошо известная конструкция ИС LM124 похожа на эту. Анализ его внутренней схемы показывает, что он на самом деле использует положительный полюс Us в качестве внутренней точки отсчета, но это не имеет значения для моих рисунков и уравнений.

Я некоторое время боролся с той же проблемой. Ответ не всегда очевиден.

Операционный усилитель, как правило, понятия не имеет, где находится земля, поскольку на нем нет входа заземления. Часто это отрицательное напряжение, как в приложениях с питанием от одной шины, а в других случаях оно находится где-то между V+ и V-, как в источниках питания с раздельными шинами.

Почти все усилители конфигурируют операционный усилитель с отрицательной обратной связью для управления и линеаризации усиления.

^{смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab}

Рис. 1. Две наиболее распространенные конфигурации операционных усилителей.

Из базовой теории применения операционных усилителей должно быть ясно, что в обоих случаях, показанных на Рисунке 1, отрицательная обратная связь приведет к тому, что выходное напряжение станет таким, какое требуется, чтобы привести инвертирующий вход к тому же потенциалу, что и неинвертирующий вход. . Результат для каждого случая:

Обратите внимание, что$V_{\text{ref}}$и$V_{\text{in}}$должны быть привязаны к какой-либо точке, и что выходные данные относятся к той же точке. Если$V_{\text{ref}}$равен нулю, то мы получаем наши стандартные формулы коэффициента усиления операционного усилителя.

Рычажный усилитель

^{смоделируйте эту схему}

Рисунок 2. Инвертирующий рычаг. Точка опоры находится на 1/3 длины рычага, поэтому он работает с коэффициентом усиления -2.

• (a) Вход, точка опоры и выход находятся под опорным напряжением. Их высота над эталоном равна нулю.
• (b) Ввод был нажат до -1. Выход повысился до +2 по отношению к эталону.
• (c) Точно такой же рычаг, но с опорной точкой, перемещенной на другую высоту. Теперь вход, точка опоры и выход равны +5.
• (d) Было применено такое же угловое смещение. Теперь на входе +4, а на выходе +7 относительно эталона.

В: В чем разница в усилении (d) и (b)?
О: Ничего. Мир не изменился. Наша точка отсчета изменилась, поэтому вход, точка опоры и выход имеют фиксированное смещение из-за новой точки отсчета.

Это действительно не имеет значения. Он может выводить только до своих шин питания, и если вы рассматриваете его как идеальный, он всегда будет на одной из этих шин при отсутствии какой-либо обратной связи.

Структура обратной связи — это то, что дает ему ссылку. Например, в несимметричной конфигурации с отрицательным усилением положительный вход подает опорное значение; это выбранная точка в диапазоне, где это напряжение на входе приводит к тому же напряжению на выходе.

На практике напряжение смещения операционного усилителя, умноженное на коэффициент усиления, обычно намного больше, чем напряжение питания. Например, LM324 имеет усиление около 100 000 и смещение, возможно, пару мВ, то есть сотни вольт на выходе.

Если вам нужно число для расчетов, вы можете представить его как ($V_+$+$V_-$)/2, если хотите, что удобно работает до нуля для сбалансированных напряжений питания, но какое бы число вы ни выбрали в шинах питания (например, если вы выберете 0 для 5-вольтового операционного усилителя с однополярным питанием), ошибка должна быть небольшой для типичные операционные усилители.

Например, прецизионный усилитель с коэффициентом усиления 1 000 000 и напряжением смещения +/-12 мкВ, типичный.. все еще +/-12 В на выходе в зависимости от смещения.