オペアンプはどのように地面がどこにあるかを知っていますか？

私はしばらくオペアンプを扱ってきましたが、次の質問は今日まで私には起こりませんでした。

最初に左側のオペアンプを検討してください（A）。マイナス端子はアースに接続され、プラス端子とアースの間に小さな電圧が印加されます。出力電圧は接地に対して測定される場合、それは読むべきA ⋅ Vのdは。$V_d$$A \cdot V_d$

次に、右側のオペアンプ（B）について考えます。今回は、はグラウンドを基準にせずに、負の端子と正の端子の間に直接印加されます。出力電圧はグランドに対して測定された場合、それはまだ読んでいましA ⋅ Vのdは？このオペアンプは地面がどこにあるかわからないので、これはどうでしょうか？$V_d$$A \cdot V_d$

どのようにして地面がどこにあるかをどのようにして知るのですか？Groundは、読みやすくするために回路図に貼り付けた単なるシンボルです。通常の回路のコンポーネントはどれも回路図を読み取らないため、グランドの場所がわかりません。

オペアンプBの場合、出力電圧は、入力の電圧源の極性に応じて、オペアンプが出力できる最大電圧（電源レールによって制限される）または最小になります。

そして、実際にそのような回路を構築すると、問題が発生します。入力の電圧源から他のものへのパスはありません。そのため、実際の値はオペアンプの入力バイアス電流とその他の非理想的な動作によって定義されるため、得られるのは、その特定のオペアンプの詳細の関数である奇妙なものです。

おそらく、オペアンプは端子間の違いを増幅するものではないと考える方が簡単でしょう。実際には、オペアンプは通常、負帰還で動作します。そうでない場合、オペアンプはコンパレータと呼ばれる傾向があります。したがって、オペアンプは2つの入力が等しくなるように出力電圧を調整しようとします。無限のゲインを持つ理想的なオペアンプの場合、これはまさにそのとおりです。入力は常に同じ電位になります。

入力バイアス電流は以下のように動作します。I1とI2はそれぞれの入力バイアス電流で、I2-I1は入力オフセット電流です。

^{この回路のシミュレーション – CircuitLabを使用して作成された回路図}

オペアンプは、入力が（VccおよびVeeに関して）所定のコモンモード範囲内にある場合にのみ正しく動作します。それは電源に非常に近いか、どちらかまたは両方の電源から1〜2ボルト離れている可能性があります。

右側の例でわかるように、I1 + I2の経路がないため、入力は急速に電源レールに近づきます（その時点で、電流源はほぼ理想的ではなくなります）。

特定の条件下で一部のオペアンプが何らかの作業を行う可能性がありますが、これは信頼できるものではありません。反転入力と非反転入力の両方にDCパスを常に提供します。上記の例は、オフセット電流（I2-I1）のみのパスを示しています。総バイアス電流（I1 + I2）には経路がありません。

正確に出力がどうなるかについては、Av v_d（Vcc + Vee）/ 2 と考えることができますが、オペアンプのオフセット電圧とゲインの積は通常、どちらかのレールで出力を飽和させるのに十分なので、中間レール加算器（Vcc + Vee）/ 2は、任意のようなものです。うまくいけば、それはあなたにとって理にかなっています。

オペアンプは地面がどこにあるのかわかりません。

オペアンプは差動アンプです。これらは2つの入力間の差を増幅し、（理想的には）コモンモード電圧を無視します。ダイアグラムの2つの回路に違いはありません。オペアンプの出力はどちらもグラウンドを基準としていません。出力バイアスポイントは、おそらく2つの電源の中間に近いでしょう。入力を短絡して測定することもできますが、入力バイアス電圧と入力電流にも対処する必要があります。それはおそらく問題を起こす価値はありません。

幸いなことに、出力バイアスポイントや「実際の」基準電圧を心配する必要はありません。オペアンプの一般的な用途のいずれにも関係がないためです。オペアンプをコンパレータとして使用している場合、小さな差動電圧であっても、出力をできるだけ正または負にする必要があります。線形回路でオペアンプを使用している場合は、負のフィードバックを使用します。これにより、出力が正の入力を基準にします。

実際の物理オペアンプは完全な差動アンプではないため、実際にはコモンモード電圧が出力に与える影響はわずかです。Philの答えが言うように、オペアンプの構成も重要です。しかし、あなたが何を求めているのかはそれが重要だとは思いません。オペアンプは、回路が実行しようとしていることを実行するように構築されていません。

オペアンプの内部の次の基本図を参照してください。

入力トランジスタにはベース電流が必要です-両方とも！電流は通常1uA未満です。オペアンプは自分がどれだけ取るかを決定しますが、それが利用可能である必要があり、両方の入力に対して、それはトランジスターの内部に向けられなければなりません。「何か」を+入力と-入力の間にのみ接続すると、その「何か」が新しい電荷を生成するため、電流を同時にトランジスタに流すことはできません。それはキルチョフの法則です。

実際のオペアンプ回路では、入力ベース電流（=バイアス電流）の経路は、入力と電源電圧レールまたはGNDの間の導電性部分です。この場合（入力トランジスタエミッターの矢印を参照）、-VE電源レールは正しい方向の入力電流供給源としては不可能ですが、+ VEレールは問題なく、バッテリーを追加することによって-VE電位が-VE電位を超えている場合はGND beveeen -VEとGND、または+ VEに接続されている抵抗器。

Fet入力は良くありません。入力間の「何か」以外の場所へのガルバニック接続がなければ、FETのゲートへの蓄積されたリーク電荷により、それらはすぐに不定状態にドリフトします。

まず、グラウンドは、回路内のすべての電圧を参照する任意に選択したポイントです。最も一般的な単純な回路構成では、グランドは単一電源ソースの負端子または対称電源の中間点として選択されます。これは（注記したように）オペアンプへの電力供給が意図されている方法です（少なくとも基本的な文献によく見られる「標準」回路を扱う）。

通常のオペアンプモデルには差動入力がありますが、その出力はグラウンドを基準にしているため、困惑します。したがって、質問：オペアンプはグラウンドがどこにあるかをどのようにして知るのでしょうか。それは単に知りません、それは推測します。

どういう意味？オペアンプの内部回路は、理想的には、差動入力がゼロの場合、出力がオペアンプの電源の中間点に配置されるように構築されています。

電源が対称（たとえば、±15V）である場合、そのポイントはたまたまグラウンド（0V）ですが、電源間の中間点としてグラウンドを選択した場合（最も一般的なシナリオ）のみです。

一方、オペアンプに単一の電源、たとえば15Vで電力を供給した場合、出力は7.5Vになります。

もちろん、これは理想的な動作です。バイアス電流、オフセット電圧、コモンモード範囲が実際のデバイスに影響を与えるからです。

また、からの抜粋を参照してください。オペアンプのアプリケーションのハンドブック、ウォルト・ユングによって、アナログ・デバイセズから、第1章、P.5（黄色強調鉱山）：

これは内部に関するいくつかの情報（ウィキペディア）でより明確になります。

これは、バイポーラトランジスタ入力の古いスタイルです。中程度の入力バイアス電流（一部のマイクロアンペア）がトランジスタを介して負/正の電源レールに流れます。

FETおよびJFET入力の入力電流ははるかに小さくなりますが、まだFETの絶縁ゲートを横切る電源に対するリファレンスがあります。

入力保護ダイオードがある場合もあります。

そうではなく、端子の1つを接地しないと、出力電圧を決定できません。どうして？入力バイアス電流のため。オペアンプは完璧ではなく、少量の電流が必要です。入力バイアス電流は、各端子のデバイスごとに異なります。

入力バイアス電流が十分に小さく、入力インピーダンスが十分に高い場合、他の電流が端子の電圧を決定できます。

何らかのセンシングを行う場合は、端子の片側を接地する必要があります。

熱電対は電圧源のようなものですが、それを接地を参照しないと、どこにでも浮いている可能性があります。（a）の例では、端子間の電圧は熱電対（および電圧源）の電圧ですが、両方の端子に共通の電圧は、実質的にどこでも0V、1V、-2.3Vです。

負のフィードバックがないため、出力は次のようになります。

Vo = + Vcc（V +> V-の場合、図のように）Vo = -Vee（V + <V-の場合、Vd入力極性を反転した場合のように）

それらを理想的なオペアンプとして（そしてそれが使用する電源の種類に関係なく-シングルかデュアルかを問わず）、これはVccとVeeから独立しています。しかし、重要なのは、システムが両方の電圧差で機能するだけなので、システムが機能するために「グラウンド」を必要としないことです。

数ヶ月前、私は最も強い光源を指す光を感知する「ロボットフラワー」を作らなければなりませんでした。4つのLDRを使用しました-1つは上向き/下向きのペア、もう1つは水平方向の向きです。各LDRは電流源に接続され、その電位差を加算アンプに与えました。

私が直面しなければならない問題の1つは、オペアンプがデュアル電源の一種（TL084）であることでした。ソースとして+/- 9Vが必要で、バッテリーは1つしかありませんでした。そこで、ICL7660反転スイッチングソースを使用しました（+ 9Vを-9Vに変換します）。しかし問題は、入力電流が出力電圧が-6Vに低下（または上昇）するようなものであったことです。また、加算アンプに9Vと-6Vを供給している間、回路はグランドを正しく検出できず、オフセットを作成する必要がありました。参照：その場合、グランドは「（9V +（-6V））/ 2 = 1.5 V」であるはずです...ゼロではありません（実際、オフセットは約1.5 Vでした）

しかし、これは、この回路が出力と入力を比較するために共通の接地を必要としたためです。このような負のフィードバック自体のプロセスの目的であり、その共通の接地は両方の電源ノード間の中間点でなければなりません。回路の場合、それは単にコンパレータとして機能するため、出力はソースVdの極性に応じて9Vまたは-6Vになります。

私の答えが長すぎた場合は申し訳ありません！他の人を助けることができるさまざまな経験を共有するのはクールだというだけです...実際; これが私の最初の投稿です！お役に立てば幸いです。