运算放大器如何知道接地在哪里?
怎么知道地面在哪里?接地只是我们贴在原理图上的一个符号,以便于阅读。正常电路中的任何组件都不会读取原理图,因此它们都不知道接地在哪里。
在运算放大器 B 的情况下,输出电压将是运算放大器可以输出的最大电压(受电源轨限制)或最小值,具体取决于输入电压源的极性。
在实践中构建这样一个电路,你会遇到一个问题:从输入电压源到其他任何东西都没有路径。因此,实际值将由运算放大器的输入偏置电流和其他非理想行为定义,因此您会得到一些奇怪的东西,这主要是该特定运算放大器细节的函数。
您可能会更容易认为运算放大器不会放大其端子之间的差异。在实践中,运算放大器通常以负反馈运行:当它们不是时,它们往往被称为比较器。因此,运算放大器试图调整输出电压,使两个输入相等,而对于具有无限增益的理想运算放大器,情况正是如此:输入将始终处于相同的电位。
输入偏置电流如下所示,其中 I1 和 I2 是各自的输入偏置电流,I2-I1 是输入失调电流。
只有输入在给定的共模范围内(相对于 Vcc 和 Vee),运算放大器才能正常工作。这可能与电源非常接近,也可能与一个或两个电源相距一伏或两伏。
正如您在右侧示例中所见,I1+I2 没有路径,因此输入将迅速接近电源轨(此时电流源或多或少不再理想)。
在某些条件下,某些运算放大器可能会发生某种工作,但这不是您应该依赖的东西。始终为反相和同相输入提供直流路径。上述示例仅提供了偏移电流 (I2-I1) 的路径。总偏置电流 (I1 + I2) 没有路径。
至于输出究竟是什么——您可以将其视为 Av v_d (Vcc+Vee)/2,尽管运算放大器的偏移电压乘以增益通常足以使任一轨的输出饱和,因此中轨加法器 (Vcc+Vee)/2 有点随意。希望这对你有意义。
首先,接地是您参考电路中所有电压的任意选择点。在最常见的简单电路配置中,接地被选择为单电源的负端子或对称电源的中点,这是(如您所指出的)运算放大器的供电方式(至少在处理基础文献中常见的“标准”电路)。
所以你很困惑,因为通常的运算放大器模型具有差分输入,但它的输出以地为参考,因此问题是:运算放大器如何知道地在哪里?它根本不知道,它猜测。
我是什么意思?运算放大器的内部电路是这样构建的,理想情况下,在零差分输入的情况下,输出将位于运算放大器电源之间的中间点。
如果电源是对称的(例如 ±15V),则该点恰好是接地 (0V),但前提是您选择接地作为电源之间的中点(最常见的情况)。
另一方面,如果您使用单个电源(例如 15V)为运算放大器供电,则输出将为 7.5V。
当然,这是一种理想的行为,因为偏置电流、失调电压和共模范围会对实际器件产生影响。
另请参阅来自 Analog Devices的Walt Jung 所著《运算放大器应用手册》第 1 章第 5 页的摘录(黄色重点是我的):
运算放大器不知道接地在哪里。
运算放大器是差分放大器。它们放大了两个输入之间的差异,并且(理想情况下)忽略了任何共模电压。图中的两个电路之间没有区别。运算放大器的输出均不以地为参考。输出偏置点可能接近两个电源的中间位置。您可以尝试通过将输入短路来测量它,但您也必须处理输入偏置电压和电流。这可能不值得麻烦。
幸运的是,您不必担心输出偏置点或“真实”参考电压,因为它们对于运算放大器的任何一种常见用途都无关紧要。如果您将运算放大器用作比较器,您希望输出尽可能为正或尽可能负,即使对于微小的差分电压也是如此。如果您在线性电路中使用运算放大器,则使用负反馈,这会导致输出以正输入为参考。
真实的物理运算放大器并不是完美的差分放大器,因此在现实生活中共模电压对输出的影响很小。正如菲尔的回答所说,运算放大器的构造也很重要。但我认为这对你所问的并不重要。运算放大器不是为了做你的电路试图让它们做的事情而设计的。