オペアンプの内部の「地面」について混乱している

Nov 30 2020

(まあ、私はこの質問を通して「仮想グラウンド」について話していません/)

この図が示しているように、オペアンプは次のように表示できます。

私たちは皆、このようなオペアンプは、2つの入力と1つの出力を持っていることを知っている-入力電圧は、単純に2つの入力間の電圧である-しかし、出力電圧のために、それは(上の図から)のように見える「アース」のシンボルがあり内部オペアンプ。

オペアンプにはアース(実際の地球)に接続されたポートがないので、その「アース」記号は何ですか?この答えは良い説明を与え、「グランド」が実際にはDC電源の負極であることを示しています(上の図の-V電源)。

(待ってください!重複としてマークしないでください。先読みしてください。)

しかし、これが私の疑問が浮かび上がるところです-私が知っていることの1つは、ほとんどのDC電源が実際の地球に接地されていないということです-つまり、それらは浮いているということです。したがって、実際の地球を参照してその電圧が何であるかはわかりません。たぶんDC電源のマイナスで、それはまだ、例えば、実際の地球を参照する1Vの電圧を持っています。

これは、非反転入力を(実際の地球に)接地し、反転入力を出力に接続して負帰還回路を形成するまでは、すべて問題ありません。つまり、下の画像

次に、2つの入力の間に電圧がある場合、出力は電圧を生成します。しかし、待ってください...その出力電圧は、実際の地球に関しては生成されませんが、フローティングDC電源の負の値に関して生成されます(リンクされた回答と前に説明したように)!つまり、-V電源がまだ実際の地球に関して1Vの電圧を持っている場合、出力は常に実際の地球に関して1Vをプラスします!


さて、私も一週間以上私を混乱させたこの質問に関する実験をしました。フローティングDC電源でも、アース(実地)を基準にしてゼロボルトを維持しているので、まったく問題はありませんでした...フローティングDC電源がなぜそれほどうまく機能するのかわかりません、接地されたものと同じように...(なぜですか?理由を教えてください)-しかし、結局のところ、それはフローティングです-つまり、DC電源のマイナス側が実際の地球を基準にして常に正確に0Vであるという保証はありません。 ..


私は電気の初心者です。上で誤解したことがありますか?確かに、接地とフローティングの概念は私には地獄のように思えます...

回答

5 Neil_UK Nov 30 2020 at 21:12

オペアンプの出力ゲインは非常に大きいため、出力電圧源のグランドシンボルが-veレール、+ veレール、または2つの中間点のいずれであるかは、実際には問題ではありません。これらのポイントは、アンプの入力オフセット電圧エラーによって小さくなります。

接地記号は、多分過剰であるために表示されますが、明らかに一貫性がないため、何も参照されていない出力電圧源を表示しないように作成者側で注意してください。

出力電圧源は、+ veレールから電流をソースし、-veレールに電流をシンクします。ゲイン方程式が参照される実際のポイントは、抵抗の比率によって確立されるレールと、明示的または浮遊コンデンサのいずれかとの間のポイントであるため、周波数によって異なります。

4 Andyaka Nov 30 2020 at 21:07

上の写真のオペアンプ内の接地記号は、Vpos電源とVneg電源の間の正確な中心電圧を表すことを目的としています。したがって、Vnegをアースに接続すると、自然な中点はVposとアースの間になります。

しかし、これは物事の概算にすぎません。また、それが負の電源ピンに対して相対的であると仮定しても、実際には問題ではありません。なぜなら、オペアンプの高い開ループゲイン(および負のフィードバック)により、入力Vinが保証されるからです。 -入力Vin +に等しく、状況を維持するために必要な値をVoutに強制します。これは、Vin +が「王」の基準点になることを意味します。

1 MathKeepsMeBusy Nov 30 2020 at 21:37

オペアンプは、負帰還で動作するように設計されています。以下の回路図では、オフセット電圧と電流を無視し、オペアンプが線形領域で動作していると仮定すると、

\$V_{Out}+V_{In-} = V_{In+}+V_{Ref}\$

または

\$V_{In+}-V_{In-} = V_{Out}-V_{Ref}\$

この式から、出力が参照される「グラウンド」は\によって供給されることが明らかです。$V_{Ref}\$。これは、電源の負のレールや分割電源のアースとは本質的に関連していません。私たち結ぶことができます\$V_{Ref}\$ これらのいずれかに(最初のケースではオペアンプが「レールツーレール」であると仮定して)、出力の「グラウンド」が設定されている場合は、単に設計者が選択します。

この回路をシミュレートする–CircuitLabを使用して作成された回路図