Comment un ampli opérationnel sait-il où se trouve le sol?

Bien que je travaille avec des amplificateurs opérationnels depuis un certain temps, la question suivante ne m'est jamais venue à l'esprit avant aujourd'hui.

Considérez d'abord l'ampli op sur la gauche (A). La borne négative est connectée à la masse et une petite tension est appliquée entre la borne positive et la masse. Si la tension de sortie est mesurée par rapport à la terre, elle doit indiquer A ⋅ V d .$V_d$$A \cdot V_d$

Considérez maintenant l'ampli op à droite (B). Cette fois, est appliqué directement entre les bornes négative et positive, sans référence à la masse. Si la tension de sortie est mesurée par rapport à la terre, lirait-elle toujours A ⋅ V d ? Comment est-ce possible, puisque cet ampli-op n'a aucune idée de l'endroit où se trouve le sol?$V_d$$A \cdot V_d$

Comment sait-on où se trouve le sol? Le sol n'est qu'un symbole que nous collons sur le schéma pour le rendre plus facile à lire. Aucun des composants d'un circuit normal ne lit le schéma, donc aucun ne sait où se trouve la terre.

Dans le cas de l'amplificateur opérationnel B, la tension de sortie sera soit la tension maximale que l'amplificateur opérationnel peut produire (limitée par les rails d'alimentation), soit la tension minimale, selon la polarité de la source de tension à l'entrée.

Et en construisant un tel circuit dans la pratique, vous auriez un problème: il n'y a pas de chemin entre la source de tension en entrée et autre chose. En tant que tel, les valeurs réelles y seront définies par le courant de polarisation d'entrée de l'ampli-op et d'autres comportements non idéaux, donc ce que vous obtiendrez est quelque chose d'étrange qui est principalement fonction des détails de cet ampli-op particulier.

Vous trouverez probablement plus facile de penser à des amplificateurs opérationnels qui n'amplifient pas la différence entre leurs terminaux. Dans la pratique, les amplificateurs opérationnels sont généralement utilisés avec une rétroaction négative: lorsqu'ils ne le sont pas, ils ont tendance à être appelés comparateurs. Ainsi, l'ampli op essaie d'ajuster la tension de sortie de manière à ce que les deux entrées soient égales, et pour l'ampli op idéal avec un gain infini, c'est exactement le cas: les entrées seront toujours au même potentiel.

Les courants de polarisation d'entrée se comportent comme ci-dessous, où I1 et I2 sont les courants de polarisation d'entrée respectifs et I2-I1 est le courant de décalage d'entrée.

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

L'amplificateur opérationnel ne fonctionnera correctement que si les entrées se trouvent dans une plage de mode commun donnée (par rapport à Vcc et Vee). Cela pourrait être très proche des alimentations ou être à un ou deux volts de l'une ou des deux.

Comme vous pouvez le voir dans votre exemple à droite, il n'y a pas de chemin pour I1 + I2, donc les entrées approcheront rapidement du rail d'alimentation (à quel point les sources de courant cessent d'être plus ou moins idéales).

Il est possible que certains amplificateurs opérationnels sous certaines conditions puissent arriver à un type de travail, mais ce n'est pas quelque chose sur lequel vous devriez vous fier. Fournissez toujours un chemin CC pour les entrées inverseuses et non inverseuses. L'exemple ci-dessus fournit un chemin uniquement pour le courant de décalage (I2-I1). Le courant de polarisation total (I1 + I2) n'a pas de chemin.

Quant à ce que serait exactement la sortie, vous pouvez la considérer comme Av v_d (Vcc + Vee) / 2, bien que la tension de décalage de l'ampli opérationnel multipliée par le gain soit généralement suffisante pour saturer la sortie sur l'un ou l'autre rail, de sorte que le l'additionneur à mi-rail (Vcc + Vee) / 2 est en quelque sorte arbitraire. J'espère que cela a du sens pour vous.

Un ampli opérationnel n'a aucune idée de l'endroit où se trouve le sol.

Les amplificateurs opérationnels sont des amplificateurs différentiels. Ils amplifient la différence entre les deux entrées et ignorent (idéalement) toute tension de mode commun. Il n'y a aucune différence entre les deux circuits dans votre diagramme. Aucune des sorties de l'ampli op n'est référencée à la masse. Le point de biais de sortie est probablement proche de mi-chemin entre les deux alimentations. Vous pouvez mesurer essayer de le mesurer en court-circuitant les entrées ensemble, mais vous devrez également gérer la tension et le courant de polarisation d'entrée. Cela ne vaut probablement pas la peine.

Heureusement, vous n'avez pas à vous soucier du point de polarisation de sortie ou de la tension de référence "réelle", car ils n'ont d'importance pour aucune des utilisations courantes d'un ampli opérationnel. Si vous utilisez l'ampli-op comme comparateur, vous voulez que la sortie soit aussi positive que possible ou aussi négative que possible, même pour une tension différentielle minuscule. Si vous utilisez l'ampli-op dans un circuit linéaire, vous utilisez une rétroaction négative, ce qui fait que la sortie est référencée à l'entrée positive.

Les vrais amplis opérationnels physiques ne sont pas des amplificateurs différentiels parfaits, donc dans la vraie vie, la tension en mode commun a un petit effet sur la sortie. Comme le dit la réponse de Phil, la construction de l'ampli opérationnel est également importante. Mais je ne pense pas que ce soit important pour ce que vous demandez. Les amplificateurs opérationnels ne sont pas conçus pour faire ce que votre circuit essaie de leur faire faire.

Voir le dessin élémentaire suivant des internes de l'opamp:

Les transistors d'entrée ont besoin de leur courant de base - les deux! Le courant est généralement inférieur à 1 uA. L'opamp détermine lui-même combien il prend, mais il doit être disponible et pour les deux entrées, il doit être dirigé vers l'intérieur du transistor. Si vous connectez "quelque chose" uniquement entre les entrées + et -, alors les courants ne peuvent pas être simultanément vers les transistors car ce "quelque chose" devrait créer une nouvelle charge électrique. C'est la loi de Kirchoff.

Dans les circuits opamps pratiques, la voie pour le courant de base d'entrée (= courant de polarisation) est une partie conductrice entre l'entrée et le rail de tension d'alimentation ou le GND. Dans ce cas (voir les flèches dans les émetteurs du transistor d'entrée), le rail d'alimentation -VE est impossible en tant que fournisseur de courant d'entrée dans la bonne direction, mais le rail + VE est correct et également GND s'il est élevé au-dessus du potentiel -VE en ajoutant une batterie entre -VE et GND ou par un résitateur connecté à + VE.

Les entrées Fet ne sont pas meilleures. Sans connexion galvanique à un autre endroit que le «quelque chose» entre les entrées, elles dérivent rapidement vers un état indéterminé en raison de la charge de fuite accumulée dans les portes des fets.

Tout d'abord, la masse est le point choisi arbitrairement où vous référencez toutes les tensions dans le circuit. Dans les configurations de circuits simples les plus courantes, la masse est choisie soit comme borne négative de la source d'alimentation unique, soit comme point médian d'une alimentation symétrique, ce qui est (comme vous l'avez noté) la façon dont les amplificateurs opérationnels sont destinés à être alimentés (au moins lorsque traitant des circuits "standard" souvent trouvés dans la littérature de base).

Vous êtes donc perplexe car le modèle d'ampli op habituel a une entrée différentielle mais sa sortie est référencée à la masse, d'où la question: comment l'ampli op sait-il où se trouve la masse? Il ne sait tout simplement pas, il suppose .

Qu'est ce que je veux dire? Les circuits internes de l'ampli-op sont construits de sorte que, idéalement, avec une entrée différentielle nulle, la sortie se situe à mi-chemin entre les alimentations de l'ampli-op.

Si les alimentations sont symétriques (disons ± 15 V), ce point se trouve juste être mis à la terre (0 V) , mais uniquement si vous avez choisi la terre comme point médian entre les alimentations (scénario le plus courant).

De l'autre côté, si vous alimentez l'ampli-op avec une seule alimentation, disons 15V, la sortie sera à 7,5V.

Bien sûr, c'est un comportement idéal, car les courants de polarisation, la tension de décalage et la plage de mode commun auront une influence sur l'appareil réel.

Voir également cet extrait de Op Amps Applications Handbook, par Walt Jung, d'Analog Devices , chapitre 1 , p.5 (mine d'accentuation jaune):

Cela devient plus clair avec quelques informations sur les internes (wikipedia) .

C'est l'ancien style d'entrée à transistor bipolaire. Un courant de polarisation d'entrée modéré (certains microampères) circule à travers les transistors vers les rails d'alimentation négatifs / positifs.

Les entrées FET et JFET ont des courants d'entrée beaucoup plus petits, mais il y a toujours une référence contre l'alimentation - à travers la grille isolante du FET.

Il peut également y avoir des diodes de protection d'entrée.

Ce n'est pas le cas et si vous ne mettez pas à la terre l'une des bornes, la tension de sortie ne peut pas être déterminée. Pourquoi? en raison du courant de polarisation d'entrée. Les opamps ne sont pas parfaits, ils nécessitent une petite quantité de courant. Le courant de polarisation d'entrée peut varier d'un appareil à l'autre sur chaque borne.

Si le courant de polarisation d'entrée est suffisamment petit et l'impédance d'entrée suffisamment élevée, d'autres courants peuvent déterminer la tension aux bornes.

Si vous effectuez une sorte de détection, vous devez mettre à la terre un côté des bornes.

Un thermocouple est comme une source de tension, mais si vous ne le référencez pas à la terre, il pourrait flotter n'importe où. Dans l'exemple (a), la tension entre les bornes est la tension du thermocouple (et de la source de tension) mais la tension commune aux deux bornes pourrait être de 0 V, 1 V, -2,3 V pratiquement n'importe où.

Comme il n'y a pas de rétroaction négative, la sortie sera:

Vo = + Vcc (si V +> V-, comme dans les diagrammes que vous avez fournis) Vo = -Vee (si V + <V-, comme si vous inversiez la polarité d'entrée Vd)

Les considérant comme des amplificateurs opérationnels idéaux (et quel que soit le type d'alimentation qu'il utiliserait - s'il est simple ou double), cela est indépendant de Vcc et Vee. Mais la chose est: le système n'a pas besoin d'une "masse" pour fonctionner parce qu'il fait juste son travail avec la différence de tension entre les deux.

Il y a quelques mois, j'ai dû construire une "fleur robot" sensible à la lumière qui pointait vers la source de lumière la plus puissante. Il a utilisé quatre LDR - une paire pour regarder vers le haut / bas et une paire pour tourner horizontalement. Chaque LDR était connecté à une source de courant et donnait sa différence de potentiel à un amplificateur sommateur.

L'un des problèmes que j'ai dû affronter était que l'ampli-op était du type à double alimentation (TL084). J'avais besoin de +/- 9V comme source, et je ne pouvais avoir qu'une seule batterie. J'ai donc utilisé une source de commutation inverseuse ICL7660 (ils transforment + 9V en -9V); mais le problème était que le courant d'entrée était tel que la tension de sortie tombait (ou montait) à -6V. Et tout en alimentant l'amplificateur sommateur avec 9V et -6V, le circuit n'a pas pu trouver sa masse correctement et a dû se créer un décalage. Voir: dans ce cas, la masse aurait dû être "(9V + (-6V)) / 2 = 1,5 V" ... pas zéro (en fait, ledit décalage était d'environ 1,5 V)

Mais c'est parce que ce circuit avait besoin d'une masse commune pour comparer sa sortie avec les entrées, tel étant l'objectif du processus de rétroaction négative lui-même ... et cette masse commune devrait être le point milieu entre les deux nœuds d'alimentation. Dans le cas de votre circuit, il agit uniquement comme un comparateur donc la sortie n'est que de 9V ou -6V selon la polarité de la source Vd.

Désolé si ma réponse était trop longue! C'est juste que c'est cool de partager différentes expériences qui peuvent peut-être aider les autres ... En fait; Ceci est mon premier message posté! J'espère que cela a aidé!