Existe-t-il des opamps idéaux dans le monde réel?
Les opamps idéaux sont-ils vendus? Par opamps idéaux, je veux dire ceux dont la sortie peut être calculée à partir des équations appropriées (rétroaction négative et positive).
Je pose cette question parce que j'exécute des simulations sur Falstad et que les vrais opamps (ceux dont les broches d'alimentation ne sont pas initialement connectées) donnent des résultats très différents de la théorie que je connais.
Par exemple, je mets une rétroaction négative sur un véritable ampli-op et je mets la résistance de rétroaction et la résistance d'entrée pour être le même VEE connecté à GND et VCC à 10V et une valeur d'entrée de 3V. Je m'attendais à une valeur de sortie de 2V, mais cela montrait essentiellement un diviseur de tension. Le simulateur n'est-il pas bon ou quoi?
J'ai conçu de nombreux circuits en utilisant des amplificateurs opérationnels idéaux et maintenant je dois traduire ces circuits en circuits avec un véritable amplificateur opérationnel.
Réponses
Bien qu'il n'y ait pas d'amplificateurs opérationnels idéaux, les pièces du monde réel se rapprochent bien dans les limites, y compris mais sans s'y limiter: les limites de tension d'entrée, la tension et le courant de sortie, le gain, la bande passante et le bruit. Les limites pratiques pour les pièces du monde réel varient bien sûr d'un appareil à l'autre.
Il n'y a pas d'amplis op idéaux dans le monde réel (ils devraient être supraconducteurs, tirer un courant nul sur les bornes d'entrée et générer des quantités infinies de courant sur la sortie), utilisez LT Spice (ou un autre paquet d'épices) avec de vrais opamps pour simuler du réel opamps du monde.
Tous les véritables amplificateurs opérationnels ont des décalages, des plages de mode commun et des limites sur le courant pouvant être généré. Ils ont également des limites sur les rails de tension. Lt Spice simulera presque tous ceux-ci.
Pour tout problème d'ingénierie, si vous entendez quelqu'un parler d'un «quelque chose d'idéal», c'est que quelque chose dont il parle n'existe pas dans sa forme idéale . Ce genre de chose vient de la théorie des formes de Platon, où il y a ce monde idéal là-bas, et tout dans ce monde n'est qu'une ombre imparfaite de celui-ci.
Cela compte à la pelle pour les amplificateurs opérationnels, ce qui explique probablement pourquoi le site Web DigiKey actuel répertorie 38 955 références différentes sous "Linéaire - Amplificateurs - Instrumentation, amplificateurs opérationnels, amplis tampons".
La réponse à toute question de la forme "puis-je acheter un <quelque chose> idéal" est non .
Le modèle d'ampli opérationnel idéal est une heuristique, qui n'existe que pour simplifier les calculs pour la conception d'un système de rétroaction utile.
Dans un vrai système d'ampli op avec rétroaction négative, il existe une différence de tension faible mais importante entre les bornes d'entrée. Compte tenu de l'équation de sortie pour le gain de tension avec une tension de décalage:
$$ V_{out} = A_{v} (V_{+} - V_{-} + V_{os}) $$
Résolution de \$V_{+}\$ rendements
$$ V_{+} = (V_{out} / A_{v}) + V_{-} - V_{os} $$
Cette équation est utile pour estimer la plage de \$V_{+}\$étant donné une plage de tension de décalage dans le pire des cas \$V_{os}\$et gain de tension dans le pire des cas \$A_{v}\$. Il s'agit d'un effet secondaire qui doit être pris en compte lorsque le gain en boucle ouverte est limité (par exemple près des limites de fréquence de l'amplificateur opérationnel) ou lorsque l'on considère les variations de température qui peuvent affecter la tension de décalage. Mais pour la conception initiale du réseau de rétroaction, ces effets sont négligeables - si le système converge correctement, les erreurs sont corrigées par la rétroaction. Lors de la conception initiale, il est difficile d'estimer quelle pourrait être cette différence de tension, mais nous savons que si le système fonctionne, cette différence de tension est faible et négligeable. Nous concevons donc avec le modèle d'ampli opérationnel idéal en supposant \$V_{+} = V_{-}\$(sans courant entre les deux nœuds) et n'évaluer que \$V_{+}\$ une fois la conception initiale terminée.
Le modèle d'ampli opérationnel idéal contient une contradiction subtile:
Aucune erreur de tension de décalage d'entrée ( \$V_{os} = 0\$)
Gain de tension en boucle ouverte infinie ( \$A_{v} = {infinity}\$)
Avec une rétroaction négative, un ampli opérationnel idéal entraînerait son entrée inverseuse à exactement la même tension que l'entrée non inverseuse. Pourtant, avec zéro volt entre \$V_{+}\$et \$V_{-}\$, la sortie idéale de l'ampli op serait toujours nulle, ce qui la rendrait inutile .
C'est juste un effet de division par «gain infini»; comme la division par zéro, c'est juste une zone où le modèle tombe en panne. Parfois, dans les didacticiels, vous pouvez voir des références à un " court-métrage virtuel " entre \$V_{+}\$et \$V_{-}\$, ce qui signifie qu'ils sont à (presque) la même tension - mais si vous remplaçiez cela par une connexion physique réelle, le courant pourrait circuler et le système de rétroaction ne fonctionnerait plus. L'idée du «court-circuit virtuel» n'est qu'une simplification qui facilite l'analyse du système et le choix des valeurs des composants.
L'ampli op idéal a également quelques autres caractéristiques impossibles:
pas de rails d'alimentation externe, donc le swing de sortie est illimité et il fournit une quantité d'énergie illimitée à tout type de charge attaché à la sortie, à partir d'une source d'énergie magique cachée pour toujours
pas d'impédance de sortie, il peut donc conduire 1000000A sans perte de signal ni surchauffe
pas de jonctions PN internes ou d'autres organes internes, donc la plage d'entrée en mode commun est illimitée et elle ne sera jamais endommagée même s'il y a 1000000V entre ses entrées. En outre, aucune jonction PN signifie pas de bruit de tir, et aucun élément résistif signifie pas de bruit Johnson.
ne coûte rien à fabriquer, car il n'existe que dans l'esprit des concepteurs de circuits
Comme tous les modèles, le modèle d'ampli op idéal se décompose en dehors de son domaine utile.
Bien sûr, en fonction de vos besoins en bande passante, de ce que vous essayez de faire et de la précision de votre capacité à mesurer.
Si la fréquence est faible, ce qui signifie que vous n'avez pas de transitions de style onde carrée, et que vos signaux sont forts par rapport au bruit ou à la charge de l'électron, et à l'échelle de temps de vos mesures, vous pouvez être aussi proche de l'idéal que vous le souhaitez. Ou indiscernable de l'idéal.
Dans un circuit réel, vous avez également besoin d'éléments de rétroaction tels que des résistances et des condensateurs qui se comportent suffisamment près de l'idéal pour être indiscernables. C'est pourquoi le calcul et le contrôle analogiques fonctionnent.
Cependant, vous ne pouvez pas avoir un ampli opérationnel idéal au sens théorique. Cela nécessite un gain infini, une linéarité parfaite et d'autres infinis et perfections.
Vous ne voulez vraiment pas un ampli op idéal. Je vais juste citer un de mes livres préférés, 'OP AMPS for EVERYONE' (Bruce Carter et Ron Mancini):
Le nom \${\it ideal\ op\ amp}\$est appliquée à cette analyse et à des analyses similaires parce que les paramètres saillants de l'op am sont supposés parfaits. Un ingénieur peut souhaiter qu'un ampli op idéal existe parfois, mais si un tel composant existait réellement, il détruirait l'univers connu! Voir la fin du chapitre pour une explication ...
Un ampli opérationnel idéal a les spécifications suivantes:
\$\bullet\$Il ne consomme aucun courant d'alimentation et ne dispose donc d'aucune alimentation. Par conséquent, il n'a même pas besoin d'être activé pour être dangereux!
\$\bullet\$Il n'a pas de \$ V_{OH}\$et \$V_{OL}\$limitations car il n'a pas d'alimentations. Par conséquent, sa tension de sortie oscille de \$\pm \infty V\$.
\$\bullet\$ Il a une résistance de sortie nulle et est donc capable de fournir un courant infini à chaque tension extrême.
\$\bullet\$ Il a un gain infini et, par conséquent, le moindre signal d'entrée lui permettrait de basculer vers une tension infinie positive et négative (sans composants de rétroaction, c'est-à-dire).
\$\bullet\$ Il a une vitesse de balayage infinie et basculerait donc vers l'un ou l'autre des rails - tous deux également destructeurs - instantanément.
Par conséquent, un ampli opérationnel idéal, juste allongé sur la table sans puissance appliquée, prendrait instantanément une différence quantique entre ses bornes positive et négative et amplifierait cette différence à une tension de sortie infinie à un courant infini. La surtension qui en résulterait serait une sphère de destruction irradiant de l'ampli opérationnel à la vitesse de la lumière!