Gibt es ideale Opamps in der realen Welt?
Werden ideale Opamps verkauft? Mit idealen Operationsverstärkern meine ich diejenigen, deren Ausgabe aus den entsprechenden Gleichungen berechnet werden kann (negative und positive Rückkopplung).
Ich frage dies, weil ich Simulationen auf Falstad durchführe und die realen Operationsverstärker (diejenigen, deren Versorgungsstifte anfangs nicht verbunden sind) sehr unterschiedliche Ergebnisse liefern als die mir bekannte Theorie.
Zum Beispiel habe ich eine negative Rückkopplung auf einen echten Operationsverstärker gelegt und den Rückkopplungswiderstand und den Eingangswiderstand so eingestellt, dass sie VEE mit GND und VCC mit 10 V und einem Eingangswert von 3 V verbunden sind. Ich habe einen Ausgangswert von 2V erwartet, aber er zeigte grundsätzlich einen Spannungsteiler. Ist der Simulator nicht gut oder was?
Ich habe viele Schaltungen mit idealen Operationsverstärkern entworfen und jetzt muss ich diese Schaltkreise in Schaltkreise mit einem echten Operationsverstärker übersetzen.
Antworten
Obwohl es keine idealen Operationsverstärker gibt, nähern sich reale Teile gut den Grenzen an, einschließlich, aber nicht beschränkt auf: Eingangsspannungsgrenzen, Ausgangsspannung und -strom, Verstärkung, Bandbreite und Rauschen. Die praktischen Grenzen für reale Teile variieren natürlich von Gerät zu Gerät.
In der realen Welt gibt es keine idealen Operationsverstärker (sie müssten supraleitend sein, an den Eingangsanschlüssen keinen Strom ziehen und unendlich viel Strom am Ausgang erzeugen), LT-Gewürze (oder andere Gewürzpakete) mit realen Operationsverstärkern verwenden, um reale zu simulieren Weltopamps.
Alle realen Operationsverstärker haben Offsets und Gleichtaktbereiche sowie Grenzwerte für den Strom, der bezogen werden kann. Sie haben auch Grenzen für Spannungsschienen. Lt Spice simuliert fast alle diese.
Wenn Sie bei einem technischen Problem jemanden über ein "Ideal <something>" sprechen hören, existiert etwas, über das er spricht, nicht in seiner idealen Form . Diese Art stammt aus Platons Formtheorie, in der es diese ideale Welt gibt und alles auf dieser Welt nur ein unvollkommener Schatten davon ist.
Dies gilt für Operationsverstärker, weshalb auf der heutigen DigiKey-Website wahrscheinlich 38.955 verschiedene Teilenummern unter "Linear - Verstärker - Instrumentierung, Operationsverstärker, Pufferverstärker" aufgeführt sind.
Die Antwort auf jede Frage der Form "Kann ich ein Ideal kaufen <something>" lautet Nein .
Das ideale Operationsverstärkermodell ist eine Heuristik, die nur existiert, um die Mathematik für den Entwurf eines nützlichen Rückkopplungssystems zu vereinfachen.
In einem echten Operationsverstärkersystem mit negativer Rückkopplung gibt es eine kleine, aber wichtige Spannungsdifferenz zwischen den Eingangsanschlüssen. Ausgehend von der Ausgangsgleichung für Spannungsverstärkung mit Offsetspannung:
$$ V_{out} = A_{v} (V_{+} - V_{-} + V_{os}) $$
Auflösen nach \$V_{+}\$ ergibt
$$ V_{+} = (V_{out} / A_{v}) + V_{-} - V_{os} $$
Diese Gleichung ist nützlich, um den Bereich von \ zu schätzen$V_{+}\$bei einem Worst-Case-Bereich der Offset-Spannung \$V_{os}\$und Worst-Case-Spannungsverstärkung \$A_{v}\$. Dies ist ein sekundärer Effekt, der berücksichtigt werden sollte, wenn die Verstärkung im offenen Regelkreis begrenzt ist (z. B. in der Nähe der Frequenzgrenzen des Operationsverstärkers) oder wenn Temperaturschwankungen berücksichtigt werden, die die Offset-Spannung beeinflussen können. Für den anfänglichen Entwurf des Rückkopplungsnetzwerks sind diese Effekte jedoch vernachlässigbar. Wenn das System ordnungsgemäß konvergiert, werden die Fehler durch die Rückkopplung korrigiert. Während des anfänglichen Entwurfs ist es schwierig abzuschätzen, wie hoch diese Spannungsdifferenz sein könnte, aber wir wissen, dass diese Spannungsdifferenz klein und vernachlässigbar ist, wenn das System funktioniert. Wir entwerfen also mit dem idealen Operationsverstärkermodell unter der Annahme von \$V_{+} = V_{-}\$(ohne Strom zwischen den beiden Knoten) und nur \ auswerten$V_{+}\$ nachdem der erste Entwurf abgeschlossen ist.
Das ideale Operationsverstärkermodell enthält einen subtilen Widerspruch:
Kein Eingangsoffsetspannungsfehler ( \$V_{os} = 0\$)
Unendliche Spannungsverstärkung im offenen Regelkreis ( \$A_{v} = {infinity}\$)
Bei negativer Rückkopplung würde ein idealer Operationsverstärker seinen invertierenden Eingang auf genau die gleiche Spannung wie den nicht invertierenden Eingang treiben. Doch mit null Volt zwischen \$V_{+}\$und \$V_{-}\$Der ideale Operationsverstärkerausgang wäre immer Null, was ihn unbrauchbar macht .
Dies ist nur ein Effekt der Division durch "unendlichen Gewinn"; Wie beim Teilen durch Null ist es nur ein Bereich, in dem das Modell zusammenbricht. Manchmal sehen Sie in Tutorials Verweise auf einen " virtuellen Kurzschluss " zwischen \$V_{+}\$und \$V_{-}\$Dies bedeutet, dass sie (fast) die gleiche Spannung haben - aber wenn Sie diese durch eine echte physikalische Verbindung ersetzen würden, könnte Strom fließen und das Rückkopplungssystem würde nicht mehr funktionieren. Die Idee des "virtuellen Kurzschlusses" ist nur eine Vereinfachung, die es einfacher macht, das System zu analysieren und Komponentenwerte auszuwählen.
Der ideale Operationsverstärker hat auch einige andere unmögliche Eigenschaften:
Da keine externen Stromversorgungsschienen vorhanden sind, ist die Ausgangsschwingung unbegrenzt und es wird eine unbegrenzte Menge an Energie an jede Art von Last geliefert, die an den Ausgang angeschlossen ist, und zwar von einer für immer verborgenen magischen Stromquelle
Keine Ausgangsimpedanz, daher kann 1000000A angesteuert werden, ohne Signalverlust oder Überhitzung
Keine internen PN-Übergänge oder andere interne Organe, daher ist der Gleichtaktbereich des Eingangs unbegrenzt und es wird niemals beschädigt, selbst wenn zwischen seinen Eingängen 1000000 V liegen. Außerdem bedeuten keine PN-Übergänge kein Schussrauschen, und keine Widerstandselemente bedeuten kein Johnson-Rauschen.
Die Herstellung kostet nichts, da es nur in den Köpfen der Schaltungsentwickler existiert
Wie alle Modelle bricht das ideale Operationsverstärkermodell außerhalb seines nützlichen Bereichs zusammen.
Sicher, abhängig von Ihren Bandbreitenanforderungen, dem, was Sie versuchen, und der Präzision Ihrer Messfähigkeit.
Wenn die Frequenz niedrig ist, was bedeutet, dass Sie keine Übergänge im Rechteckwellenstil haben und Ihre Signale im Verhältnis zum Rauschen oder zur Ladung des Elektrons und zur Zeitskala Ihrer Messungen stark sind, können Sie dem Ideal so nahe kommen, wie Sie möchten. Oder nicht vom Ideal zu unterscheiden.
In einer realen Schaltung benötigen Sie auch Rückkopplungselemente wie Widerstände und Kondensatoren, die sich nahe genug am Ideal verhalten, um nicht zu unterscheiden. Aus diesem Grund funktioniert die analoge Berechnung und Steuerung.
Sie können jedoch keinen idealen Operationsverstärker im theoretischen Sinne haben. Das erfordert unendlichen Gewinn, perfekte Linearität und andere Unendlichkeiten und Perfektionen.
Sie wollen wirklich keinen idealen Operationsverstärker. Ich zitiere nur aus einem meiner Lieblingsbücher, "OP AMPS for EVERYONE" (Bruce Carter und Ron Mancini):
Der Name \${\it ideal\ op\ amp}\$wird auf diese und ähnliche Analysen angewendet, da angenommen wird, dass die hervorstechenden Parameter des op am perfekt sind. Ein Ingenieur mag sich wünschen, dass es zuweilen einen idealen Operationsverstärker gibt, aber wenn eine solche Komponente tatsächlich existiert, würde dies das bekannte Universum zerstören! Eine Erklärung finden Sie am Ende des Kapitels ...
Ein idealer Operationsverstärker hat die folgenden Spezifikationen:
\.$\bullet\$Es zieht keinen Versorgungsstrom und hat daher keine Stromversorgung. Daher muss es nicht einmal eingeschaltet werden, um gefährlich zu sein!
\.$\bullet\$Es hat kein \$ V_{OH}\$und \$V_{OL}\$Einschränkungen, da es keine Netzteile hat. Daher schwankt seine Ausgangsspannung von \$\pm \infty V\$.
\.$\bullet\$ Es hat einen Ausgangswiderstand von Null und ist daher in der Lage, bei jedem Spannungsextrem unendlichen Strom zu liefern.
\.$\bullet\$ Es hat eine unendliche Verstärkung, und daher würde das kleinste Eingangssignal es ihm ermöglichen, auf eine positive und negative unendliche Spannung zu schwingen (dh ohne Rückkopplungskomponenten).
\.$\bullet\$ Es hat eine unendliche Anstiegsgeschwindigkeit und würde daher sofort zu jeder Schiene schwingen - beide gleichermaßen zerstörerisch.
Daher würde ein idealer Operationsverstärker, der nur ohne angelegte Leistung auf dem Tisch liegt, sofort eine Quantendifferenz zwischen seinen positiven und negativen Anschlüssen nehmen und diese Differenz auf einen unendlichen Spannungsausgang bei unendlichem Strom verstärken. Der resultierende Stromstoß wäre eine Zerstörungskugel, die mit Lichtgeschwindigkeit aus dem Operationsverstärker ausstrahlt!