Bagaimana op-amp tahu di mana ground?

Meskipun saya telah bekerja dengan op-amp untuk sementara waktu, pertanyaan berikut tidak pernah terpikir oleh saya sebelum hari ini.

Pertimbangkan dulu op amp di sebelah kiri (A). Terminal negatif terhubung ke arde, dan tegangan kecil diterapkan antara terminal positif dan arde. Jika tegangan keluaran diukur sehubungan dengan pentanahan, itu harus membaca A ⋅ V d .$V_d$$A \cdot V_d$

Sekarang perhatikan op-amp di sebelah kanan (B). Kali ini, diterapkan langsung antara negatif dan terminal positif, dengan tidak ada referensi ke tanah. Jika tegangan output diukur sehubungan dengan tanah, akan tetap membaca A $V_d$ ? Bagaimana ini bisa terjadi, karena op-amp ini tidak tahu di mana tanahnya?$A \cdot V_d$

Bagaimana ada yang tahu di mana tanah itu? Ground hanyalah simbol yang kami tempel pada skema untuk membuatnya lebih mudah dibaca. Tidak ada komponen dalam rangkaian normal yang membaca skema, sehingga tidak ada yang tahu di mana ground.

Dalam hal op-amp B, tegangan keluaran akan berupa tegangan maksimum yang bisa dihasilkan oleh op-amp (dibatasi oleh rel pasokan), atau minimum, tergantung pada polaritas sumber tegangan pada input.

Dan membangun sirkuit seperti itu dalam praktiknya, Anda akan memiliki masalah: tidak ada jalur dari sumber tegangan pada input ke hal lain. Dengan demikian, nilai aktual di sana akan ditentukan oleh arus bias input dari op-amp dan perilaku tidak ideal lainnya, sehingga yang akan Anda dapatkan adalah sesuatu yang aneh yang sebagian besar merupakan fungsi dari detail op-amp tertentu.

Anda mungkin akan lebih mudah untuk memikirkan op-amp bukan sebagai penguat perbedaan antara terminal-terminal mereka. Dalam praktiknya, op-amp biasanya dioperasikan dengan umpan balik negatif: ketika tidak, op-amp cenderung disebut komparator. Jadi, op-amp mencoba menyesuaikan tegangan keluaran sedemikian rupa sehingga kedua input sama, dan untuk op-amp ideal dengan gain tanpa batas, inilah yang terjadi: input akan selalu berada pada potensial yang sama.

Arus bias input berperilaku seperti di bawah ini, di mana I1 dan I2 adalah masing-masing arus bias input dan I2-I1 adalah arus offset input.

^{mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab}

Op-amp hanya akan beroperasi dengan baik jika input berada dalam kisaran mode umum yang diberikan (berkenaan dengan Vcc dan Vee). Itu mungkin sangat dekat dengan persediaan atau mungkin satu atau dua volt dari salah satu atau keduanya pasokan.

Seperti yang Anda lihat pada contoh kanan Anda, tidak ada jalur untuk I1 + I2, sehingga input akan dengan cepat mendekati rel pasokan (di mana titik sumber saat ini berhenti menjadi lebih-atau-kurang ideal).

Mungkin saja beberapa op-amp dalam beberapa kondisi mungkin terjadi pada jenis pekerjaan tetapi itu bukan sesuatu yang harus Anda andalkan. Selalu berikan jalur DC untuk input inverting dan non-inverting. Contoh di atas menyediakan jalur hanya untuk arus offset (I2-I1). Total arus bias (I1 + I2) tidak memiliki jalur.

Seperti apa tepatnya outputnya - Anda bisa menganggapnya sebagai Av v_d (Vcc + Vee) / 2, meskipun tegangan offset op-amp dikali gain biasanya cukup untuk menjenuhkan output di kedua rel, sehingga mid-rail adder (Vcc + Vee) / 2 agak arbitrer. Semoga itu masuk akal bagi Anda.

Op-amp tidak tahu di mana ground.

Op-amp adalah penguat diferensial. Mereka memperkuat perbedaan antara dua input dan (idealnya) mengabaikan tegangan mode-umum. Tidak ada perbedaan antara dua sirkuit di diagram Anda. Output op-amp tidak direferensikan ke ground. Titik bias keluaran mungkin mendekati pertengahan antara kedua pasokan. Anda dapat mengukur mencoba mengukurnya dengan mempersingkat input bersama-sama, tetapi Anda harus berurusan dengan tegangan dan arus input bias juga. Mungkin tidak sepadan dengan masalahnya.

Untungnya, Anda tidak perlu khawatir tentang titik bias output atau tegangan referensi "nyata", karena mereka tidak masalah untuk penggunaan umum op-amp. Jika Anda menggunakan op-amp sebagai pembanding, Anda ingin output menjadi positif atau negatif, bahkan untuk tegangan diferensial kecil. Jika Anda menggunakan op-amp dalam rangkaian linier, Anda menggunakan umpan balik negatif, yang menyebabkan output direferensikan ke input positif.

Op-amp fisik nyata bukan amplifier diferensial yang sempurna, jadi dalam kehidupan nyata tegangan mode-umum memiliki efek kecil pada output. Seperti jawaban Phil mengatakan, pembangunan op-amp juga penting. Tapi saya pikir itu tidak penting untuk apa yang Anda tanyakan. Op-amp tidak dibuat untuk melakukan apa yang sirkuit Anda coba lakukan.

Lihat gambar dasar internal opamp:

Transistor input membutuhkan arus basisnya - keduanya! Saat ini biasanya kurang dari 1uA. Opamp menentukan sendiri berapa banyak yang dia ambil, tetapi itu harus tersedia dan untuk kedua input itu harus diarahkan ke dalam transistor. Jika Anda menghubungkan "sesuatu" hanya antara input + dan -, maka arus tidak dapat secara bersamaan menuju transistor karena "sesuatu" itu harus menciptakan muatan listrik baru. Itu hukum Kirchoff.

Dalam rangkaian opamp praktis, jalan untuk arus basis input (= arus prategangan) adalah beberapa bagian konduktif antara input dan rel tegangan suplai atau GND. Dalam hal ini (lihat tanda panah dalam emitor transistor input), rel pasokan -VE tidak mungkin sebagai pemasok input arah yang tepat saat ini, tetapi + rel VE tidak apa-apa dan juga GND jika terangkat di atas potensial -VE dengan menambahkan baterai. antara -VE dan GND atau oleh resitor yang terhubung ke + VE.

Input fet tidak lebih baik. Tanpa koneksi galvanik ke tempat lain selain "sesuatu" di antara input, mereka segera melayang ke kondisi yang tidak ditentukan karena akumulasi biaya kebocoran ke dalam gerbang fets.

Pertama-tama, tanah adalah yang dipilih secara sewenang - wenang titik yang mana Anda mereferensikan semua voltase dalam rangkaian. Dalam konfigurasi rangkaian sederhana yang paling umum, tanah dipilih baik sebagai terminal negatif dari sumber pasokan tunggal atau titik tengah dari pasokan simetris, yang (seperti yang Anda catat) adalah cara op-amp dimaksudkan untuk diaktifkan (setidaknya ketika berurusan dengan sirkuit "standar" yang sering ditemukan dalam literatur dasar).

Jadi Anda bingung karena model op-amp yang biasa memiliki input diferensial tetapi outputnya dirujuk ke ground, maka pertanyaannya: bagaimana op-amp tahu di mana ground? Itu tidak tahu, itu menebak .

Apa yang saya maksud? Sirkuit internal op-amp dibuat sedemikian rupa sehingga, idealnya, dengan input diferensial nol output akan berada pada titik di tengah-tengah antara pasokan op-amp.

Jika persediaan simetris (misalkan ± 15V) titik itu hanya menjadi tanah (0V) , tetapi hanya jika Anda memilih tanah sebagai titik tengah antara persediaan (skenario paling umum).

Di sisi lain, jika Anda menyalakan op-amp dengan catu daya tunggal, katakanlah 15V, output akan berada di 7.5V.

Tentu saja ini adalah perilaku yang ideal, karena arus bias, tegangan offset, dan rentang mode umum akan memiliki pengaruh pada perangkat nyata.

Lihat juga kutipan ini dari Op Amps Applications Handbook, oleh Walt Jung, dari Analog Devices , bab 1 , hal.5 (tambang penekanan kuning):

Ini menjadi lebih jelas dengan beberapa informasi tentang internal (wikipedia) .

Itu adalah gaya lama dari input bipolar-transistor. Arus bias input moderat (sejumlah mikroamp) mengalir melalui transistor ke rel pasokan negatif / positif.

Input FET dan JFET memiliki arus input yang jauh lebih kecil, tetapi masih ada referensi terhadap pasokan - melintasi gerbang isolasi FET.

Mungkin juga ada dioda perlindungan input.

Tidak, dan jika Anda tidak melakukan ground pada salah satu terminal, tegangan keluaran tidak dapat ditentukan. Mengapa? karena arus input bias. Opamps tidak sempurna, mereka membutuhkan sedikit arus. Arus bias input dapat bervariasi dari perangkat ke perangkat di setiap terminal.

Jika arus bias input cukup kecil dan impedansi input cukup tinggi, arus lain dapat menentukan tegangan pada terminal.

Jika Anda merasakan apa pun, Anda perlu membumikan satu sisi terminal.

Termokopel sama seperti sumber tegangan, tetapi jika Anda tidak merujuknya ke ground, ia bisa mengambang di mana saja. Dalam contoh (a) tegangan antara terminal adalah tegangan termokopel (dan dari sumber tegangan) tetapi tegangan yang umum untuk kedua terminal bisa 0V, 1V, -2.3V hampir di mana saja.

Karena tidak ada umpan balik negatif, hasilnya adalah:

Vo = + Vcc (jika V +> V-, seperti pada diagram yang Anda berikan) Vo = -Vee (jika V + <V-, seperti jika Anda membalikkan polaritas input Vd)

Mengingat mereka sebagai op-amp yang ideal (dan terlepas dari jenis pasokan apa yang akan digunakan - jika tunggal atau ganda), ini tidak tergantung pada Vcc dan Vee. Tetapi masalahnya adalah: sistem tidak perlu "ground" untuk bekerja karena ia hanya bekerja dengan perbedaan tegangan di antara keduanya.

Beberapa bulan yang lalu saya harus membangun "robot bunga" penginderaan cahaya yang menunjuk ke sumber cahaya terkuat. Ini menggunakan empat LDR - satu pasang untuk melihat ke atas / ke bawah, dan satu pasang untuk memutar secara horizontal. Setiap LDR terhubung ke sumber arus dan memberikan perbedaan potensial ke penguat penjumlahan.

Salah satu masalah yang harus saya hadapi, adalah bahwa op-amp adalah salah satu jenis pasokan ganda (TL084). Saya membutuhkan +/- 9V sebagai sumber, dan saya hanya dapat memiliki satu baterai. Jadi saya menggunakan sumber switching pembalik ICL7660 (mereka mengubah +9V menjadi -9V); tetapi masalahnya adalah bahwa arus input sedemikian rupa sehingga tegangan output turun (atau naik) ke -6V. Dan saat memberi makan amplifier penjumlahan dengan 9V dan -6V, sirkuit tidak dapat menemukan ground dengan benar dan harus membuat sendiri offset. Lihat: dalam kasus itu, ground seharusnya "(9V + (-6V)) / 2 = 1,5 V" ... bukan nol (sebenarnya, kata offset sekitar 1,5 V)

Tapi itu karena sirkuit ini membutuhkan landasan bersama untuk membandingkan outputnya dengan input, seperti tujuan dari proses umpan balik negatif itu sendiri ... dan landasan bersama itu harus menjadi titik tengah antara kedua node catu daya. Dalam kasus rangkaian Anda, itu hanya bertindak sebagai pembanding sehingga outputnya hanya 9V atau -6V tergantung pada polaritas sumber Vd.

Maaf jika jawaban saya terlalu panjang! Hanya saja itu keren untuk berbagi pengalaman berbeda yang mungkin dapat membantu orang lain ... Bahkan; ini posting pertama saya! Semoga ini bisa membantu!