वर्चुअल ग्राउंड विरोधाभास?

Question

मुझे लगता है कि कुछ के साथ आने में असमर्थ हूं, मुझे लगता है कि एक परिचालन एम्पलीफायर के आभासी जमीन से संबंधित एक विरोधाभासी स्थिति है। कृपया मुझे क्षमा करें अगर यह वास्तव में बेवकूफ सवाल है।

जब एक Op-Amp (आइडियल) में 'नेगेटिव फीडबैक' अपने इनपुट टर्मिनलों के बीच के अंतर को 'शून्य' के बराबर बनाता है। आउटपुट शून्य नहीं होना चाहिए क्योंकि Op-Amp मूल रूप से एक डिफरेंशियल एम्पलीफायर है और समीकरण के अनुसार:

Vo = (ओपन लूप गेन) * (डिफरेंशियल वोल्टेज b / w इनपुट्स)

मेरे द्वारा अब तक की गई व्याख्याएँ निम्नलिखित हैं: -

1) Op-एम्प आउटपुट वास्तव में शून्य है और यह है बाहरी circuitry (प्रतिरोधों आरएफ और रिन) कि वोल्टेज बनाते हैं, जो ऊपर ओप-एम्प आउटपुट वोल्टेज के लिए (इस मामले शून्य) में बिंदु पर कहते हैं से मिलकर बी बनाने के लिए प्रणाली का वास्तविक उत्पादन।

2) वर्चुअल ग्राउंड एकदम सही नहीं है और इनपुट पर बहुत कम अंतर वोल्टेज मौजूद है जो कि विभिन्न उच्च लाभ से गुणा हो जाता है और आउटपुट उत्पन्न करता है।

मैं मूल रूप से यह समझने में असमर्थ हूं कि आउटपुट शून्य बनाए बिना ओपी-एम्प व्यवहार की वास्तविक परिभाषा आभासी जमीन घटना के अनुरूप कैसे है। कृपया सहायता कीजिए!

Comments

यदि यह वास्तव में 0 वोल्ट था, तो यह 0 वोल्ट को छोड़कर होगा, यह लगभग 0 वोल्ट है।

— एंडी उर्फ

यह आभासी है क्योंकि यह एक निरपेक्ष 0V संदर्भ के बजाय 0V अंतर बनाने के लिए एक सक्रिय प्रतिक्रिया है जो किसी भी स्थानीय घाव की परिभाषा है। कोई विरोधाभास नहीं है।

— टोनी स्टीवर्ट Sunnyskyguy EE75

यह अंतर एक आदर्श ऑप-एम्प के लिए एक अनंत लाभ के साथ ठीक 0 है, और आवश्यक नहीं है 0.$\infty*0$

— दिमित्री ग्रिगोरीव

संभावित डुप्लिकेट क्या यह गलत है कि ऑप-एम्प के पास अपने दोनों टर्मिनलों पर एक ही वोल्टेज है जब वह अपने गैर-इनवर्टिंग क्लोज-लूप गेन को प्राप्त करता है?

— दिमित्री ग्रिगोरीव

"वर्चुअल ग्राउंड" की अवधारणा का उपयोग केवल छात्रों को भ्रमित किए बिना ओपैंप ऑपरेशन को समझाने के लिए किया जाता है। स्कॉट सीडमैन के जवाब में वास्तव में क्या होता है। मुझे लगता है कि इसे स्वीकार किया जाना चाहिए।

— hkBattousai

Answer 1

यह # 2 है। एक "संपूर्ण" सैद्धांतिक opamp के लिए, ओपन-लूप लाभ अनंत है, और यह इनपुट शून्य पर अंतर बनाता है। ओपैंप सर्किट की शुरुआत करते समय, या जब वर्कआउट करने के लिए चीजों को काम करना चाहिए, तो लोग आमतौर पर "परफेक्ट" ऑपैंप के बारे में सोचते हैं।

जब एक सर्किट के प्रदर्शन के बारे में सोचते हैं, तो हमें आमतौर पर एक वास्तविक ओपैंप की खामियों के बारे में सोचना शुरू करना होगा। एक वास्तविक ओपैंप के लिए, ओपन-लूप लाभ अनंत नहीं है, और इनपुट के बीच कुछ अंतर है। LM324 का उदाहरण लेने के लिए, ओपन लूप का लाभ लगभग 115dB है। यह एक लाख वोल्ट / वोल्ट से थोड़ा कम है, इसलिए यदि 1V डीसी आउटपुट है, तो इनपुट लगभग 1VV से भिन्न होते हैं। अधिकांश समय आप इसे अनदेखा कर सकते हैं।

यह एसी के लिए अधिक जटिल हो जाता है। उच्च आवृत्तियों पर, लाभ कम हो जाता है। LM324 के लिए, यह 0dB पर जाता है, अर्थात 1MHz पर 1V / V। उस बिंदु पर, इनपुट में निश्चित रूप से एक बड़ा अंतर होगा। व्यावहारिक रूप से, एम्पलीफायर सिर्फ किसी भी अधिक काम नहीं करता है। बीच में आवृत्तियों के लिए, एम्पलीफायर (इंक। फीडबैक) का लाभ अलग-अलग होगा। शब्द "लाभ बैंडविड्थ उत्पाद" का उपयोग यह बताने के लिए किया जाता है कि किसी दिए गए ओपैंप के लिए आपको क्या लाभ हो सकता है।

यह कई खामियों में से एक है, जो एक असली ओपैंप है। एक और बहुत प्रासंगिक एक इनपुट ऑफसेट वोल्टेज है। यह उन इनपुटों में अंतर है जिनके परिणामस्वरूप एक शून्य आउटपुट होता है, और यह हमेशा ठीक नहीं होता है 0. यह कई मामलों में सीमित लाभ से अधिक महत्वपूर्ण हो सकता है। आप जिन अन्य खामियों पर विचार करना चाहते हैं, वे हैं संतृप्ति / कतरन, इनपुट करंट, PSRR, CMRR, नॉनज़ेरो आउटपुट प्रतिबाधा और कई और अधिक।

Comments

तो क्या हम कह सकते हैं कि गणितीय रूप से, इस स्पष्टीकरण को पूरी तरह से आदर्श ऑप-एम्प्स तक नहीं बढ़ाया जा सकता है? महान विवरण के लिए धन्यवाद! पहली व्याख्या के साथ मैं आया था कि मैं पहली बार में आश्वस्त था कि मैं पूरी तरह से गुमराह हो गया हूँ।

— सुमंत

Answer 2

समस्या यह है कि आप op-amp के दो अलग-अलग मॉडल को मिलाते हैं।

एक वास्तविक, लेकिन कुछ हद तक आदर्श ऑप-एम्प, एक अंतर एम्पलीफायर है जिसका आउटपुट निम्नानुसार इनपुट पर निर्भर करता है (संतृप्ति की उपेक्षा):

$$V_{out} = A_{Vol} \cdot (V^+ - V^-)$$

इस सरलीकृत मॉडल का उपयोग करना (सरलीकृत क्योंकि यह संतृप्ति, ऑफसेट वोल्टेज, पूर्वाग्रह धाराओं, बैंडविड्थ और अन्य वास्तविक दुनिया प्रभावों की उपेक्षा करता है) और यह तथ्य कि (ओपन लूप गेन) बहुत बड़ा है, आप यह साबित कर सकते हैं, जब ऑप- amp एक नकारात्मक प्रतिक्रिया सर्किट में जुड़ा हुआ है, फिर वर्चुअल शॉर्ट सर्किट रखता है, लेकिन केवल जब आप A V o l को अनंत के रूप में अनुमानित करते हैं ।$A_{Vol}$$A_{Vol}$

इस कठोर सन्निकटन के साथ आप कर सकते हैं के बाद से खुला लूप लाभ अनंत माना जाता है, एक शून्य अंतर इनपुट और अभी भी एक सीमित उत्पादन किया है।

वास्तव में ओपन लूप का लाभ अनंत नहीं है और आपका परिमित आउटपुट बहुत छोटे अंतर इनपुट (μV रेंज में, आमतौर पर) के कारण होता है। वास्तविक ओपन लूप गेन द्वारा उस छोटे से अंतर इनपुट को गुणा करें और आपके पास अपना परिमित आउटपुट है।

आभासी शॉर्ट सर्किट का उपयोग करना, बहुत सरल है, हालांकि। एक बार जब आपको पता चलता है कि ऑप-एम्प सर्किट में नकारात्मक प्रतिक्रिया है, तो आप अंतर शॉर्ट इनपुट के वास्तविक मूल्य से परेशान हुए बिना सर्किट के काम करने का विश्लेषण करने के लिए वर्चुअल शॉर्ट सर्किट आइडलाइजेशन ( ) का उपयोग कर सकते हैं , जो अप्रासंगिक हो जाता है ( जब तक आपको महीन विवरण की आवश्यकता नहीं है), जब तक आप आउटपुट संतृप्ति से बचते हैं।$V^+ = V^-$

Answer 3

आइए, इस टुकड़े को करने के बजाय, व्होल शेबंग को पूरा करें। आइए op amp के लिए परिभाषा के साथ शुरू करें।

$$V_{out}= A_{OL}(V_+ - V_-)$$

जैसा कि बताया गया है, एक बहुत बड़ी संख्या है, लेकिन इसे फिलहाल के लिए छोड़ दें।$A_{OL}$

बस मूल आकृति में अंकन में इस परिवर्तित करने, वी बी = - वी ए ए ओ

$$V_{B}= A_{OL}(0 - V_A)$$ $$V_B=-V_AA_{OL}$$

अब, हम किर्चॉफ के वर्तमान कानून को लागू करना शुरू कर सकते हैं।

$$\frac{V_{in}-V_A}{R_{in}}= \frac{V_A-V_B}{R_f}$$

$$\frac{R_f}{R_{in}}(V_{in}-V_A)=V_A-V_B$$

$$V_B=V_A - \frac{R_f}{R_{in}}(V_{in}-V_A)$$

$$V_B = V_A \left( 1 + \frac{R_f}{R_{in}} \right)- \frac{R_f}{R_{in}}V_{in}$$

$V_A$

$$V_B = -\frac{V_B}{A_{OL}} \left( 1 + \frac{R_f}{R_{in}} \right)- \frac{R_f}{R_{in}}V_{in}$$

$A_{OL}\to\infty$

$$\lim_{A_{OL}\to\infty} V_B = - \frac{R_f}{R_{in}}V_{in}$$

$V_A=-\frac{V_B}{A_{OL}}=0$

$R_f$$R_{in}$

Answer 4

गणित-वार, आप इसे इस तरह से सोच सकते हैं: 0 * अनंत (जो आदर्श सेशन-amp धारणा है) 0 नहीं है, यह एक अनिश्चित रूप है। पूरी तरह से कठोर होने के लिए, आप सीमा को ले जा रहे हैं क्योंकि लाभ अनंत तक पहुंचता है (और इनपुट अंतर शून्य तक पहुंचता है)। यदि आप वह सब करने की परेशानी में चले गए हैं (यह एक ऐसा व्यवहार है जो किसी को भी परेशान नहीं करता है, सिवाय इसके कि जब कोई प्रोफ़ेसर विचार प्रस्तुत कर रहा हो), तो आप देखेंगे कि मान का निर्धारण आसपास की स्थिति से होता है।

Answer 5

जब एक Op-Amp (आइडियल) में 'नेगेटिव फीडबैक' अपने इनपुट टर्मिनलों के बीच के अंतर को 'शून्य' के बराबर बनाता है। क्या आउटपुट शून्य नहीं होना चाहिए

कल्पना कीजिए कि op-amp में केवल 100 का खुला लूप गेन था। नकारात्मक प्रतिक्रिया के कारण आउटपुट सिग्नल का कुछ हिस्सा इनपुट में वापस आ जाता है और यह आउटपुट सिग्नल को "रिस्ट्रिक्ट" कर देता है।

तो, इनपुट पर समान मूल्य प्रतिरोधों और 1 वोल्ट के साथ अंतिम स्थिर स्थिति क्या होगी? आउटपुट वोल्टेज का क्या मूल्य स्थिति को संतुष्ट करेगा?

आप "अज्ञात" वोल्टेज के लिए दो सरल सूत्र प्राप्त कर सकते हैं: -

$V_A\times 100 = -V_{OUT}$

$V_A = \dfrac{V_{IN}+V_{OUT}}{2}$

$V_{OUT} = \dfrac{V_{IN}}{1+\frac{1}{50}}$

या, समान मूल्य प्रतिरोधों के लिए, अधिक आम तौर पर रखा जाता है,

$\dfrac{V_{OUT}}{V_{IN}} = \dfrac{-1}{1+\frac{2}{A_{OL}}}$$A_{OL}$

$V_{OUT}$

इसका अर्थ यह भी है कि इनवर्टिंग इनपुट पर वोल्टेज 9.804 mV है।

$A_{OL}$$V_{OUT}$

इसलिए, यदि आप इसे चरम सीमा पर ले जाते हैं, तो आप देख सकते हैं कि इनवर्टिंग इनपुट पर वोल्टेज "वस्तुतः" जमीन है।

इस समय एक नियंत्रण प्रणाली के दृष्टिकोण से इसे देखने का एक तरीका है गैर-इनवर्टिंग ऑप-एम्प कॉन्फ़िगरेशन का उपयोग करके।

Answer 6

मुझे यकीन नहीं है कि आपका प्रश्न वास्तव में क्या है, लेकिन आपका दूसरा स्पष्टीकरण ठीक है और जब तक आप op-amp आदर्श (अनंत लाभ, अनंत इनपुट प्रतिबाधा, शून्य आउटपुट प्रतिबाधा) का इलाज करते हैं, तब तक इसे किसी भी op-amp सर्किट पर लागू किया जा सकता है।

आप यह भी सोच सकते हैं कि यह ऑपरेटिंग बिंदु एकमात्र स्थिर एक क्यों है: यदि टर्मिनलों के बीच वोल्टेज का अंतर कभी इतना बड़ा था, तो ऑप-एम्प तुरंत विपरीत टर्मिनल वोल्टेज के लिए अपने आउटपुट वोल्टेज को संतृप्त करेगा और वोल्टेज अंतर आगे और पीछे स्विंग होगा। जब तक स्थिर बिंदु (वोल्टेज अंतर लगभग शून्य) तक नहीं पहुंच जाता है।

Comments

आप अपने पहले पैराग्राफ में जो कहते हैं वह गलत और भ्रामक है: यदि आप ओपैम्प को अनंत लाभ मानते हैं, तो ओपी का दूसरा बिंदु पकड़ नहीं सकता है, क्योंकि इनपुट अंतर वोल्टेज बिल्कुल 0. होगा । जैसा कि मैंने अपने उत्तर में बताया है, ओपी का भ्रम पैदा होता है क्योंकि उसने दो अलग-अलग मॉडल को मिलाया: वह जिसमें एवोल "बस" विशाल है, और वह जहां आप एवोल को अनंत तक जाने की सीमा लेते हैं। अपने जवाब में आप वही गलती करते दिख रहे हैं।

— लोरेंजो डोनाटी - कोडिडैक्ट.ओआर

Answer 7

जिस तरह से मैं इसके बारे में सोचता हूं, अगर उसके रैखिक क्षेत्र में एक opamp का आउटपुट वोल्टेज है:

$$V_o=A_{ol}(V^+-V^-)$$

आप इसे फिर से लिख सकते हैं:

$$V^+-V^-=\dfrac{V_o}{A_{ol}}$$

तो अगर परिमित है, और आदर्श रूप में एक ओ एल अनंत है, तो अंतर इनपुट शून्य, दृष्टिकोण है वी + - वी $V_o$$A_{ol}$$V^+-V^-\to0$$A_{ol}$$10^6$

$V^+=V^-$

Answer 8

स्पष्ट विरोधाभास इसलिए उठता है क्योंकि एक मामले में आप एक वास्तविक (या कम से कम अधिक यथार्थवादी मॉडल) सेशन- amp से निपट रहे हैं और दूसरे मामले में आप एक आदर्शित अमूर्त के साथ काम कर रहे हैं जो त्वरित स्थैतिक (डीसी) विश्लेषण के लिए उपयोगी है सर्किट।

वास्तविक मामले में, आपके पास इनपुट पर कुछ छोटे अंतर वोल्टेज हैं, यह वही है जो आउटपुट ड्राइव करता है।

यदि आप लाभ को जाने देते हैं $\infty$

Answer 9

बी

ए "वर्चुअल ग्राउंड" का मतलब है कि यह प्रभावी रूप से 0V के बीच है, कोई फर्क नहीं पड़ता कि आम मोड वोल्टेज क्या है (जब तक आउटपुट संतृप्त नहीं होता है) इनपुट उच्च प्रतिबाधा हैं इसलिए इन बिंदुओं के बीच कोई वर्तमान नहीं है, लेकिन (Vin-) ट्रैकिंग होनी चाहिए विन + यदि संभव हो, तो यह हमेशा उनके बीच ~ 0V है।

यह Op Amp में नकारात्मक प्रतिक्रिया और बहुत अधिक लाभ के कारण होता है। इस तुलना को नकारात्मक प्रतिक्रिया के माध्यम से खिलाया जाता है ~ 0V अंतर, फिर भी यह Vcc / 2 संदर्भ हो सकता है, फिर यह Vcc / 2 पर जाता है, लेकिन फिर भी ~ 0V अंतर।

जैसे V में ऑफ़सेट = Vout / k

• जहां k खुला लूप गेन * फीडबैक अनुपात है।

  • यदि Av (ol) = 1e6 और Rf / Rin लाभ = 100 है, तो प्रतिक्रिया अनुपात 1e2 / 1e6 = 1e-4 है, इसलिए इनपुट वोल्टेज अंतर बहुत छोटा है। जैसे 5V / 1e4 = 0.5mV

• एक आभासी जमीन उच्च प्रतिबाधा हो सकती है लेकिन डीसी में यह 0V के पास होना चाहिए ताकि उत्पादन के लिए नकारात्मक प्रतिक्रिया के साथ रैखिक क्षेत्र में उच्च लाभ हो। आमतौर पर हम प्रत्येक इनपुट पोर्ट पर पूर्वाग्रह वर्तमान वोल्टेज ड्रॉप और अंतर मोड समस्या बनने से आम मोड शोर से मेल खाने के लिए संतुलित रखने की कोशिश करते हैं ।

  यह कम वोल्टेज अंतर अनिवार्य रूप से 0V है इसलिए हम इस अंतर को इनपुट पर एक आभासी जमीन कहते हैं। एक और सर्किट जो इस विधि का उपयोग करता है, उसे एक्टिव गार्डिंग कहा जाता है, जैसा कि ईईजी जांच में सामान्य मोड सिग्नल को बफर किया जाता है और वोल्टेज के अंतर को कम करने के लिए सिग्नल की ढाल को ड्राइव करता है ~ 0V को कम प्रतिबाधा के साथ इसलिए आवारा शोर को दबा दिया जाता है और समाई को समाप्त कर दिया जाता है। DV / dt में कमी 0. उसी के लिए उच्च Z, या निम्न चरण के शोर सर्किट के आसपास किया जाता है, यह इनपुट या सेंसर के आसपास सामान्य मोड बफ़र सिग्नल के साथ ईएमआई को आवारा युग्मन से कम करने के लिए है।

ए अस्थायी जमीन साधन यह है कि सर्किट के लिए एक 0V संदर्भ जब बनाया है, लेकिन गैल्वनीय एक सीमित ब्रेकडाउन वोल्टेज अप करने के लिए पृथ्वी से अलग, एसी इकाइयों के लिए अनिवार्य HIPOT परीक्षण के साथ। यह DC और AC कम f को ब्लॉक करता है लेकिन RF को नहीं। जब आप ईएमआई प्राप्त करते हैं तो यह याद रखना अच्छा होता है। ग्राउंड पर RF कैप फ्लोटिंग ग्राउंड पर RF शोर को कम कर सकता है।

एक पृथ्वी का मैदान 0V संदर्भ है, लेकिन सुरक्षा कारणों से पृथ्वी के लिए एसी रिसेप्टकल और ग्राउंड पथ के माध्यम से पृथ्वी से बंधा हुआ है। यहां तक ​​कि पृथ्वी के मैदान में एक रिश्तेदार प्रतिबाधा है। क्यों? रेज़्यूअस सभी आधार संदर्भ के बिंदु के रूप में 0V हैं और एक अन्य संदर्भ बिंदु में प्रतिरोध, अधिष्ठापन और वर्तमान प्रवाह हो सकता है जो वोल्टेज अंतर पैदा करेगा। लेकिन सुरक्षा के लिए पावर लाइन मैदान सूखे क्षेत्रों में 100 ओम या उससे अधिक हो सकते हैं।

एक तर्क ग्राउंड (फिर से) लॉजिक चिप्स के लिए एक 0V संदर्भ है और शोर हो सकता है।

एक एनालॉग ग्राउंड है (फिर से) एनालॉग संकेतों के लिए एक 0 वी स्थानीय संदर्भ ताकि ओउमिक नुकसान की मात्रा को कम से कम रखने के लिए वापसी मार्ग शोर भार या स्रोतों के साथ साझा न किया जाए।

इसलिए इलेक्ट्रॉनिक्स में, ग्राउंड ALWAYS का तात्पर्य कहीं न कहीं (डिज़ाइन द्वारा) 0V संदर्भ बिंदु से है और सामने वाला विशेषण उपरोक्त विशेष विशेषताओं के संदर्भ में निहित या स्पष्ट हो सकता है।

Answer 10

विरूपण के बारे में बात करते हैं। Opamp से 0.1volt पीपी आउटपुट के साथ, जिसमें 1Million का ओपनलूप लाभ और 1Mz का UGBW है। द्विध्रुवी diffpair इनपुट उपकरणों के साथ, और कोई प्रतिरोधक रैखिककरण / अध: पतन। किसी द्विध्रुवी के लिए, दूसरा और तीसरा क्रम इनपुट-संदर्भित इंटरसेप्ट लगभग 0.1voltpp हैं।

1Hz पर, वर्चुअल-ग्राउंड इनपुट 0.1v / 1e6 = 100 नैनो वोल्ट होगा। डिफरेंशियल के ठिकानों पर यह अंतर इनपुट 100nV / 0.1v = 1million का विरूपण अंतर है, और दूसरा और तीसरा ऑर्डर उत्पाद -120dBc या अधिक होगा।

1 मेगाहर्ट्ज पर, ओपनलोप गेन वन है। वर्चुअल-ग्राउंड इनपुट 0.1v / ONE = 0.1volt होगा। Opamp भारी विकृति पैदा करेगा।

अब कुछ रोचक परिणामों के लिए।

1KHz पर, ओपनलूप लाभ 1,000x (60db) है। वर्चुअल-ग्राउंड इनपुट 0.1v / 1,000 = 100 microVolts होगा। इनपुट डिफेयर के अड्डों के पार यह 100microVolts -60dB है; दूसरा क्रम विरूपण -60 dBc होगा। तीसरा क्रम विरूपण -120dBc होगा।

इसके अतिरिक्त, यदि आप 10dB द्वारा इनपुट को कम करते हैं, तो दूसरा क्रम हार्मोनिक विरूपण 10dB द्वारा गिरता है। 3 डी ऑर्डर 20dB तक गिरता है। जीवन बहुत अच्छा हो सकता है।

Answer 11

आप पी-ओनली कंट्रोलर के रूप में एक ओपएम्प देख सकते हैं ।

यदि आउटर नॉन-जीरो है तो इसमें कुछ ऑफसेट त्रुटि होगी ।
हालाँकि, ओपन लूप का लाभ अधिक होने पर ऑफसेट बहुत छोटा होता है। यह वायरल जीरो है।