Como um amplificador operacional sabe onde fica o solo?

Embora eu esteja trabalhando com amplificadores operacionais há algum tempo, a seguinte pergunta nunca me ocorreu antes de hoje.

Considere primeiro o amplificador operacional à esquerda (A). O terminal negativo é conectado ao terra e uma pequena tensão é aplicada entre o terminal positivo e o terra. Se a tensão de saída for medida em relação ao terra, ela deve exibir A ⋅ V d .$V_d$$A \cdot V_d$

Agora considere o amplificador operacional à direita (B). Desta vez, é aplicado diretamente entre os terminais negativo e positivo, sem referência ao terra. Se a tensão de saída for medida em relação ao terra, continuaria lendo ? Como isso poderia ser, já que esse amplificador operacional não tem idéia de onde está o terreno? A ⋅ V $V_d$$A \cdot V_d$

Como alguém sabe onde está o terreno? O solo é apenas um símbolo que mantemos no esquema para facilitar a leitura. Nenhum dos componentes em um circuito normal lê o esquema, portanto, nenhum deles sabe onde está o terra.

No caso do amplificador operacional B, a tensão de saída será a tensão máxima que o amplificador operacional pode emitir (limitada pelos trilhos de alimentação) ou a mínima, dependendo da polaridade da fonte de tensão na entrada.

E, na prática, construindo um circuito assim, você teria um problema: não há caminho entre a fonte de tensão na entrada e qualquer outra coisa. Como tal, os valores reais serão definidos pela corrente de polarização de entrada do amplificador operacional e outros comportamentos não ideais, então o que você obterá é algo estranho que é principalmente uma função dos detalhes desse amplificador operacional específico.

Você provavelmente achará mais fácil pensar em amplificadores operacionais que não ampliam a diferença entre seus terminais. Na prática, os amplificadores operacionais são geralmente operados com feedback negativo: quando não são, tendem a ser chamados de comparadores. Portanto, o amplificador operacional tenta ajustar a tensão de saída de modo que as duas entradas sejam iguais e, para o amplificador operacional ideal com ganho infinito, é exatamente esse o caso: as entradas sempre terão o mesmo potencial.

As correntes de polarização de entrada se comportam como abaixo, onde I1 e I2 são as respectivas correntes de polarização de entrada e I2-I1 é a corrente de compensação de entrada.

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

O amplificador operacional só funcionará corretamente se as entradas estiverem dentro de uma determinada faixa de modo comum (com relação a Vcc e Vee). Isso pode estar muito próximo dos suprimentos ou pode estar a um ou dois volts de um ou de ambos os suprimentos.

Como você pode ver no seu exemplo à direita, não há caminho para I1 + I2; portanto, as entradas se aproximarão rapidamente do trilho de suprimento (nesse ponto as fontes atuais deixam de ser mais ou menos ideais).

É possível que alguns amplificadores operacionais, em algumas condições, funcionem como um tipo de trabalho, mas não é algo em que você deva confiar. Sempre forneça um caminho DC para entradas inversoras e não inversoras. O exemplo acima fornece um caminho para apenas a corrente de compensação (I2-I1). A corrente de polarização total (I1 + I2) não tem caminho.

Quanto ao que exatamente seria a saída - você pode considerá-la como Av v_d (Vcc + Vee) / 2, embora a tensão de desvio do amplificador operacional vezes o ganho seja geralmente suficiente para saturar a saída em qualquer trilho; o adicionador intermediário (Vcc + Vee) / 2 é uma espécie de arbitrário. Espero que isso faça sentido para você.

Um amplificador operacional não tem idéia de onde está o terreno.

Os amplificadores operacionais são amplificadores diferenciais. Eles amplificam a diferença entre as duas entradas e (idealmente) ignoram qualquer tensão no modo comum. Não há diferença entre os dois circuitos no seu diagrama. Nenhuma saída do op-amp é referenciada ao terra. O ponto de viés de saída provavelmente está próximo do meio do caminho entre os dois suprimentos. Você pode medir a tentativa, medindo curto-circuitos nas entradas, mas também precisará lidar com a tensão e a corrente de polarização de entrada. Provavelmente não vale a pena.

Felizmente, você não precisa se preocupar com o ponto de viés de saída ou a tensão de referência "real", porque eles não importam para os usos comuns de um amplificador operacional. Se você estiver usando o amplificador operacional como um comparador, deseja que a saída seja o mais positiva possível ou a mais negativa possível, mesmo para uma pequena tensão diferencial. Se você estiver usando o amplificador operacional em um circuito linear, use feedback negativo, o que faz com que a saída seja referenciada à entrada positiva.

Os amplificadores operacionais físicos reais não são amplificadores diferenciais perfeitos, portanto, na vida real, a tensão em modo comum tem um pequeno efeito na saída. Como a resposta de Phil diz, a construção do amplificador operacional também é importante. Mas não acho que isso seja importante para o que você está perguntando. Os amplificadores operacionais não são construídos para fazer o que seu circuito está tentando fazê-los fazer.

Veja o seguinte desenho elementar das partes internas do opamp:

Os transistores de entrada precisam de sua corrente base - os dois! A corrente é geralmente menor que 1uA. O opamp determina quanto ele leva, mas deve estar disponível e, para ambas as entradas, deve ser direcionado para dentro do transistor. Se você conectar "algo" apenas entre as entradas + e -, as correntes não poderão ser simultaneamente em direção aos transistores, porque esse "algo" deve criar uma nova carga elétrica. É a lei de Kirchoff.

Em circuitos opamp práticos, o caminho para a corrente base de entrada (= corrente de polarização) é uma parte condutora entre a entrada e o trilho de tensão de alimentação ou o GND. Nesse caso (veja as setas nos emissores de transistor de entrada), o trilho de alimentação -VE é impossível como fornecedor de corrente de entrada na direção certa, mas o trilho + VE está ok e também GND se for levantado acima do potencial -VE adicionando uma bateria betveen -VE e GND ou por um resitor conectado ao + VE.

Entradas Fet não são melhores. Sem uma conexão galvânica para outro lugar que não seja o "algo" entre as entradas, elas logo passam para um estado indeterminado devido à carga de vazamento acumulada nos portões dos vasos sanitários.

Primeiro de tudo, o chão é o ponto escolhido arbitrariamente onde você faz referência a todas as tensões no circuito. Nas configurações de circuito simples mais comuns, o terra é escolhido como o terminal negativo da fonte de alimentação única ou o ponto médio de uma alimentação simétrica, que é (como você observou) a maneira como os amplificadores operacionais devem ser alimentados (pelo menos quando lidar com circuitos "padrão" freqüentemente encontrados na literatura básica).

Então, você está confuso porque o modelo usual de amplificador operacional tem uma entrada diferencial, mas sua saída é referenciada ao terra, daí a pergunta: como o amplificador operacional sabe onde fica o solo? Simplesmente não sabe, adivinha .

O que eu quero dizer? O circuito interno do amplificador operacional é construído de modo que, idealmente, com entrada diferencial zero, a saída fique em um ponto a meio caminho entre as fontes do amplificador operacional.

Se os suprimentos forem simétricos (digamos ± 15V), esse ponto será aterrado (0V) , mas apenas se você escolher o aterramento como o ponto médio entre os suprimentos (cenário mais comum).

Por outro lado, se você alimentar o amplificador operacional com uma única fonte de alimentação, digamos 15V, a saída ficará em 7,5V.

É claro que esse é um comportamento ideal, pois as correntes de polarização, a tensão de compensação e a faixa de modo comum terão influência no dispositivo real.

Veja também este trecho do Op Amps Applications Handbook, de Walt Jung, da Analog Devices , capítulo 1 , p.5 (ênfase amarela):

Isso fica mais claro com algumas informações sobre os internos (wikipedia) .

Esse é o estilo antigo da entrada de transistor bipolar. Uma corrente de polarização de entrada moderada (alguns microamperes) flui através dos transistores para os trilhos de alimentação negativos / positivos.

As entradas FET e JFET têm correntes de entrada muito menores, mas ainda há uma referência contra a fonte - através da porta de isolamento do FET.

Também pode haver diodos de proteção de entrada.

Não, e se você não aterrar um dos terminais, a tensão de saída não poderá ser determinada. Por quê? por causa da corrente de polarização de entrada. Os opamps não são perfeitos, exigem uma pequena quantidade de corrente. A corrente de polarização da entrada pode variar de dispositivo para dispositivo em cada terminal.

Se a corrente de polarização da entrada for pequena o suficiente e a impedância de entrada alta o suficiente, outras correntes poderão determinar qual é a tensão nos terminais.

Se você estiver sentindo algum tipo de sensor, precisará aterrar um lado dos terminais.

Um termopar é como uma fonte de tensão, mas se você não o referenciar ao terra, pode estar flutuando em qualquer lugar. No exemplo (a), a tensão entre os terminais é a tensão do termopar (e da fonte de tensão), mas a tensão comum a ambos os terminais pode ser 0V, 1V, -2,3V praticamente em qualquer lugar.

Como não há feedback negativo, a saída será:

Vo = + Vcc (se V +> V-, como nos diagramas que você forneceu) Vo = -Vee (se V + <V-, como se você invertesse a polaridade de entrada Vd)

Considerando-os como amplificadores operacionais ideais (e independentemente de qual tipo de suprimento ele usaria - se único ou duplo), isso é independente de Vcc e Vee. Mas o problema é que o sistema não precisa de um "aterramento" para funcionar, porque apenas faz o trabalho com a diferença de tensão entre os dois.

Há alguns meses, tive que construir uma "flor robô" com sensor de luz que apontava para a fonte de luz mais forte. Utilizou quatro LDRs - um par para olhar para cima / para baixo e um par para girar horizontalmente. Cada LDR foi conectado a uma fonte de corrente e deu sua diferença de potencial a um amplificador de soma.

Um dos problemas que tive que enfrentar foi que o amplificador operacional era do tipo de fonte dupla (TL084). Eu precisava de +/- 9V como fonte e só podia ter uma bateria. Então, usei uma fonte de comutação inversora ICL7660 (eles transformam + 9V em -9V); mas o problema era que a corrente de entrada era tal que a tensão de saída caiu (ou subiu) para -6V. E enquanto alimentava o amplificador somador com 9V e -6V, o circuito não conseguiu encontrar seu terra corretamente e teve que criar um desvio para si mesmo. Veja: nesse caso, o terra deveria ter sido "(9V + (-6V)) / 2 = 1,5 V" ... não zero (na verdade, o referido deslocamento era em torno de 1,5 V)

Mas isso porque esse circuito precisava de um terreno comum para comparar sua saída com as entradas, sendo esse o objetivo do processo de feedback negativo em si ... e esse terreno comum deve ser o ponto médio entre os dois nós da fonte de alimentação. No caso do seu circuito, ele atua apenas como um comparador, portanto a saída é de apenas 9V ou -6V, dependendo da polaridade da fonte Vd.

Desculpe se minha resposta foi longa demais! É legal compartilhar experiências diferentes que talvez possam ajudar outras pessoas ... De fato; Este é o meu primeiro post! Espero que tenha ajudado!