Питание операционного усилителя

[Solaris86]

Если принципиальная разница в плане питания операционного усилителя (да вообще любого другого участка цепи) между:
- двумя заземлёнными источниками (рисунок А);
- двумя последовательно соединёнными источниками с заземлённым соединительным проводом (рисунок Б);
- одним незаземлённым источником, у которого напряжение в 2 раза больше (рисунок В);
- одним заземлённым с положительного полюса источником, у которого напряжение в 2 раза больше (рисунок Г);
- одним заземлённым с отрицательного полюса источником, у которого напряжение в 2 раза больше (рисунок Д)?

Моё предположение, что в рамках рассматриваемого ни включённого в цепь операционного усилителя нет принципиальной разницы, если считать проводимость земли равной проводимости соединительных проводов.
А вот с включённым в цепь усилителем однозначной уверенности нет, потому что могут быть заземлены и другие узлы этой цепи и как-то надо избежать при этом ошибок в заземлении узлов, чтобы не создавать короткое замыкание через землю между точками с разным потенциалом в обход каких-то элементов или даже фрагментов цепи...
Есть ли какие-то правила для заземления цепи (имеется в виду ситуация, когда заземлён более, чем 1 узел цепи), чтобы это заземления в вносило изменение в напряжение и токи в цепи?

[Pphantom]

Тема перемещена из форума «Помогите решить / разобраться (Ф)» в форум «Карантин»
по следующим причинам:

- отсутствуют собственные содержательные попытки ответа на вопрос;
- в вопросе есть опечатка.

Исправьте все Ваши ошибки и сообщите об этом в теме Сообщение в карантине исправлено.
Настоятельно рекомендуется ознакомиться с темами Что такое карантин и что нужно делать, чтобы там оказаться и Правила научного форума.

[Pphantom]

Тема перемещена из форума «Карантин» в форум «Помогите решить / разобраться (Ф)»
Причина переноса: не указана.

[Dmitriy40]

Для самого ОУ разницы нет т.к. земля нигде (кроме выводов питания на схемах В-Д) не заведена на сам ОУ.
Для источников сигналов на входах ОУ и для приёмника сигнала с выхода ОУ разница может быть или может не быть, смотря как именно они выдают/воспринимают сигналы (относительно земли или чего именно и в каком диапазоне).
Также есть разница если ОУ ограничивает диапазон допустимых напряжений на входах или на выходе (например очень многие ОУ не допускают напряжения на входах ниже минуса питания и/или выше плюса питания).
Чтобы не ошибиться с замыканием цепей через землю можно её нарисовать везде явно (соединить проводником все точки подключения заземления к схеме).

-- 18.06.2020, 21:17 --

А схемы А и Б вообще полностью эквивалентны.

-- 18.06.2020, 21:21 --

Обозначения "U=-15В" на схемах неправильны, должно быть просто "U=15В", полярность напряжения указана подключением элемента к схеме. В таком виде как сейчас это чушь, на ОУ питание 0В в схемах А и Б.

[Solaris86]

Dmitriy40 в сообщении #1469499 писал(а):

Также есть разница если ОУ ограничивает диапазон допустимых напряжений на входах или на выходе (например очень многие ОУ не допускают напряжения на входах ниже минуса питания и/или выше плюса питания).

А можно поподробнее этот момент?
Вот, например, фрагмент:

Когда я заземляю 2 источника, я точно знаю потенциал незаземлённого полюса, он равен напряжению источника.
Когда я питаю одним источником, я вообще ничего не знаю про значение потенциалов, я знаю только их разность, равную напряжению источника.
Если в характеристиках ОУ указано как тут напряжение питания $U_\text{п} = \pm 15 \text{В}$, то это по сути указано значение потенциала, которое должно быть на этом выводе питания и это значение превышать не рекомендуется. В таком случае питать только можно от двух заземлённых одинаковых источником питания, в остальных случаях в виду неопределённости (вплоть до 0 и $\pm 30 \text{В}$ в случае одного заземлённого источника с в 2 раза большим напряжением), будет асимметрия питания и это вызовет нарушение работы ОУ. Так?

[Dmitriy40]

Solaris86 в сообщении #1469501 писал(а):

Так?

Нет.
Как известно, напряжение это разность потенциалов двух точек (или проводников). И если на ОУ подаётся +15В и -15В относительно любого (но одного и того же!) проводника, то на его выводы поступает напряжение 30В независимо от выбора того самого "земляного" проводника (и даже вообще его наличия). Потому для ОУ нет разницы между всеми приведёнными схемами, он во всех них получает 30В.

Solaris86 в сообщении #1469501 писал(а):

Если в характеристиках ОУ указано как тут напряжение питания $U_\text{п} = \pm 15 \text{В}$, то это по сути указано значение потенциала, которое должно быть на этом выводе питания и это значение превышать не рекомендуется.

Нет, относительно центра Солнца там могут быть гигавольты и ничего с этим ОУ не случится. Лишь не превышайте +30В на плюсе питания относительно минуса питания.

По схеме диф.каскада. Хорошо видно, что при приближении потенциала любого входа к потенциалу минуса питания (независимо сколько там вольт и относительно чего) транзисторы закрываются и перестают работать. Т.е. диапазон входных сигналов ограничен снизу неким напряжением относительно минуса питания (а вовсе не земли или центра Солнца!), в котором сохраняется правильный режим работы входного каскада и всего ОУ. Аналогично происходит и приближении входных потенциалов к плюсу питания (а не относительно абстрактного заземления), откроются коллекторные переходы и ток потечёт не туда. Добавив в коллекторы диоды можно разрешить подавать на вход потенциалы намного выше потенциала плюса питания (всё относительно минуса питания), вплоть до пробойных напряжений чего-либо.

Вы похоже путаете физическое заземление и "землю" как общий провод всех сигналов в схеме и просто сокращённое обозначение множественного подключения некоего логически (не физически!) выделенного проводника под названием "земля". Очень многие схемы выдают и принимают сигналы относительно своего общего провода (называемого землёй), причём как в плюс от него, так и в минус. И для работы обозначенного диф.каскада с такими уровнями напряжений надо подавать на него минусовое напряжение относительно того самого общего провода сигналов, называемого землёй. Существуют схемы без такого недостатка, позволяющие подавать на свой вход напряжения как выше плюса питания, так и ниже минуса питания.
В общем разберитесь что такое ваша "земля".

-- 18.06.2020, 21:56 --

Двухполярное питание ОУ применяется когда схемотехника внутренностей ОУ не позволяет работать с сигналами сильно в минус от общего провода схемы (иначе называемому землёй), а таковая необходимость есть. И вот для обеспечения этой необходимости корректной работы с сигналами в минус от общего провода (земли) и подают на ОУ питание меньше общего провода и меньше наименьшего возможного сигнала. Тогда для ОУ все сигналы оказываются только в плюс от его минусового вывода питания и он хорошо работает. А что они (входные и выходные сигналы) оказываются в минус от некоего не подключенного к ОУ "землянного" провода самому ОУ совершенно "до лампочки", для него они все в плюс от минуса питания.

[Solaris86]

Спасибо! Ещё много предстоит разбираться с этим.
Тогда скажите, если я вижу такие характеристики, как мне правильно их толковать?

Это значит не превышать указанные разности потенциалов?
Для предыдущего случая в этой таблице должно было стоять питания $\pm 30V$ или же $\pm 15V$?

[Dmitriy40]

Solaris86 в сообщении #1469507 писал(а):

Тогда скажите, если я вижу такие характеристики, как мне правильно их толковать?

Supply Voltage: ±18V — напряжение питания (разность потенциалов плюса питания и минуса питания) до 36В.
Differential Input Voltage: ±30V — разность потенциалов входов может быть до 30В, любого знака (т.е. и плюсовой вход больше минусового входа, и минусовой вход больше плюсового входа).
Input Voltage: ±15V — вот тут противоречие, вроде бы и написано что не более ±15В от некоей средней точки (земли), но сама эта средняя точка на ОУ не заведена и что должно означать это ограничение неясно, тем более с примечанием что при питании до 30В можно доводить входы вплоть до потенциалов выводов питания. Обычно такое ограничение следует понимать как недопустимость подачи на входы потенциалов близких к потенциалам выводов питания, однако здесь это верно лишь для напряжения питания выше 30В. Предлагаю считать что недопустимо подавать на входы напряжение выше +15В или ниже -15В относительно среднего потенциала выводов питания (половины напряжения питания) при питании более чем 30В или не выше/ниже потенциала плюса/минуса питания если питание менее 30В (это из третьего примечания под таблицей). Но это чисто формальное понимание и вообще говоря физически не обосновано (про среднюю точку при питании выше 30В).
Если бы такое ограничение было не в разделе Absolute Maximum Ratings, а в Electrical Characteristics, то оно бы означало что при приближении потенциалов входов к потенциалам питания ухудшаются параметры ОУ (например ухудшается линейность или падает коэффициент усиления) и это было бы понятно. Там кстати есть такой параметр, Input Voltage Range. Но почему Input Voltage включили в этот раздел да ещё в таком виде, малопонятно. Даже боюсь что физики тут мало, а скорее какой-то "общеизвестный" обычай в документации на ОУ ...

Где среди этих 36В питания будет потенциал "земли" ОУ совершенно не волнует, он может даже быть на мегавольты выше или ниже или ещё как произвольно. Хотя обычно ОУ применяют в двухполярном симметричном включении, когда потенциал "земли" ровно между потенциалами плюса и минуса питания и именно для этого случая в основном и приводят характеристики.
Но потенциалы входов всегда должны быть между потенциалами выводов питания, независимо где там (и есть ли вообще) "земля" (общий провод схемы).

Обращу Ваше внимание что это лишь условия что ОУ выживет и не испортится. Но правильная работа в этих условиях не гарантируется! Это прямо сказано в первом примечании под таблицей.

-- 18.06.2020, 23:28 --

Solaris86 в сообщении #1469507 писал(а):

Для предыдущего случая в этой таблице должно было стоять питания $\pm 30V$ или же $\pm 15V$?

$\pm 15V$. Или 30В всего питания ОУ.

-- 18.06.2020, 23:42 --

Для сравнения посмотрите например ОУ LM358, тут прямо сказано что можно и двухполярный режим, и однополярный, и чётко указаны диапазоны допустимых напряжений по входам.

[EUgeneUS]

Solaris86
Вот еще на что нужно обратить внимание.
Хотя, как совершенно верно указывал уважаемый Dmitriy40 общий провод схемы к самому ОУ не подключается, он подключается к цепям обратной связи. Которые обязательно используются с ОУ, только если ОУ не работает в режиме компаратора.

Вот типовая схема неинвертирующего усилителя на ОУ:


В случае инвертирующего усилителя к общему проводу подключается неинвертирующий вход ОУ. Вот типовая схема:


Если в подобных схемах ОУ питается однополярным питанием, то есть минус питания подключен к общему проводу - туда же, куда и цепи обратной связи, то схема правильно работать не будет (попробуйте сами разобраться - почему).

В случае, если требуется усиление только переменной составляющей сигнала, можно сгоридить следующее:
а) организовать делителем напряжения искусственную среднюю точку. К которой и подключить цепи обратной связи.
б) поставить развязывающие конденсаторы на вход и выход схемы.

Но в некоторых случаях такое невозможно.

[Dmitriy40]

EUgeneUS в сообщении #1469547 писал(а):

Если в подобных схемах ОУ питается однополярным питанием, то есть минус питания подключен к общему проводу - туда же, куда и цепи обратной связи, то схема правильно работать не будет (попробуйте сами разобраться - почему).

Вы ошибаетесь, первая просто будет работать, вторая будет работать если ОУ позволяет подавать на вход потенциал минуса питания. Просто первая будет работать исключительно с положительными входными сигналами (относительно общего провода), вторая только с отрицательными (относительно общего провода). Однако и то и другое востребовано.

EUgeneUS в сообщении #1469547 писал(а):

Хотя, как совершенно верно указывал уважаемый Dmitriy40 общий провод схемы к самому ОУ не подключается, он подключается к цепям обратной связи.

Не всегда. К цепям ОС подключается общий провод источника сигнала (и выход соответственно тоже будет относительно него), но он вовсе не обязательно общий для всей схемы! Например распространены схемы с "виртуальной" землёй, равной или полпитания, или вообще некоей стабильной опоре. Просто в таких схемах немного сложнее организовать подтяжку сигналов к нужному среднему (общему) уровню, но вполне возможно, ровно как и в чисто транзисторных однополярных схемах (с разделительными конденсаторами).

Solaris86
В случае же двухполярного питания ОУ схемы упрощаются, в том числе и работающие с двухполярными (относительно общего провода/земли) сигналами. Потому их и применяют.

[EUgeneUS]

Dmitriy40 в сообщении #1469589 писал(а):

Вы ошибаетесь,

Я не ошибаюсь, в том смысле, что в моей фразе было ключевое слово: "правильно работать не будет". Какие ограничения в данных случаях накладывает однополярное питание, Вы, конечно, описали правильно.

(Оффтоп)

Но, имхо, было бы полезно, чтобы с этим ТС разобрался самостоятельно

Dmitriy40 в сообщении #1469589 писал(а):

Не всегда. К цепям ОС подключается общий провод источника сигнала (и выход соответственно тоже будет относительно него), но он вовсе не обязательно общий для всей схемы!

Тут, возможно, неточность формулировки: под "общим проводом схемы" понимался общий провод ... скажем так, каскада на ОУ, но мы только его и рассматривали.
Важно, на мой взгляд то, что "общий провод", куда подключен общей провод цепи обратной связи - это та точка, относительно которой ОУ установит ноль, при отсутствии сигнала.

[realeugene]

Solaris86 в сообщении #1469481 писал(а):

Моё предположение, что в рамках рассматриваемого ни включённого в цепь операционного усилителя нет принципиальной разницы, если считать проводимость земли равной проводимости соединительных проводов.

Некоторая разница есть, так как нарисованные вами источники напряжения, питающие усилитель, на самом деле, неидеальны и могут вносить помехи в обрабатываемый сигнал. Но это более тонкие эффекты, связанные с неидеальностью ОУ.

-- 20.06.2020, 11:52 --

Solaris86 в сообщении #1469501 писал(а):

Вот, например, фрагмент:

Учтите, что это только один из множества различных вариантов реализации входного каскада ОУ.