运算放大器如何知道接地位置？

尽管我使用运算放大器已经有一段时间了，但是在今天之前，我从来没有想到以下问题。

首先考虑左侧的运算放大器（A）。负极端子接地，在正极端子与地面之间施加小电压。如果输出电压相对于地测量，应该读甲⋅ V d。$V_d$$A \cdot V_d$

现在考虑右边的运算放大器（B）。这次，直接施加在负极端子和正极端子之间，而不参考接地。如果输出电压是相对于地面测量的，它是否仍为？由于此运算放大器不知道接地在哪里，怎么可能？$V_d$$A \cdot V_d$

怎么知道地面在哪里？接地只是我们贴在原理图上以使其易于阅读的符号。正常电路中没有一个组件会读取原理图，因此它们都不知道接地位置。

对于运算放大器B，根据输入电压源的极性，输出电压将是运算放大器可以输出的最大电压（受电源轨限制），或者是最小值。

在实践中构建这样的电路时，您会遇到一个问题：从输入端的电压源到其他任何地方都没有路径。这样，实际值将由运算放大器的输入偏置电流和其他非理想行为定义，因此您将获得的奇怪之处主要在于该特定运算放大器的详细信息。

您可能会发现，考虑运算放大器而不是放大其端子之间的差异会更容易。在实践中，运算放大器通常在负反馈下工作：如果不是，则它们通常被称为比较器。因此，运放试图调整输出电压，以使两个输入相等，而对于具有无限增益的理想运放，情况恰恰是这样：输入将始终处于相同电势。

输入偏置电流的行为如下，其中I1和I2是各自的输入偏置电流，而I2-I1是输入失调电流。

^{模拟此电路 –使用CircuitLab创建的原理图}

仅当输入在给定的共模范围内（相对于Vcc和Vee）时，运算放大器才能正常工作。这可能与电源非常接近，或者与其中一个或两个电源相差一个或两个伏特。

正如您在右侧示例中看到的那样，没有用于I1 + I2的路径，因此输入将迅速接近电源轨（此时，电流源几乎不再是理想状态）。

在某些情况下，某些运算放大器可能会发生某些工作，但这不是您应该依赖的。始终为反相输入和同相输入提供直流路径。上面的示例仅提供了偏移电流（I2-I1）的路径。总偏置电流（I1 + I2）没有路径。

至于输出的确切含义，您可以将其视为Av v_d（Vcc + Vee）/ 2，尽管运算放大器的失调电压乘以增益通常足以使任一轨的输出饱和。中轨加法器（Vcc + Vee）/ 2是任意的。希望这对您有意义。

运算放大器不知道接地线在哪里。

运算放大器是差分放大器。它们放大了两个输入之间的差异，并且（理想情况下）忽略了任何共模电压。图中的两个电路之间没有区别。运算放大器的输出均未参考地。输出偏置点可能接近两个电源之间的中间位置。您可以尝试通过将输入短接来测量它，但是您也必须处理输入偏置电压和电流。这可能不值得麻烦。

幸运的是，您不必担心输出偏置点或“实际”参考电压，因为它们对于运算放大器的两种常见用法都无关紧要。如果将运算放大器用作比较器，则即使对于很小的差分电压，也要使输出尽可能地为正或为负。如果在线性电路中使用运算放大器，则使用负反馈，这会使输出参考正输入。

实际的物理运算放大器并不是完美的差分放大器，因此在现实生活中，共模电压对输出的影响很小。正如Phil的回答所言，运算放大器的结构也很重要。但是我认为这对您的要求并不重要。运放并不是按照您的电路试图使它们工作的方式构建的。

请参阅以下运算放大器内部基本图：

输入晶体管需要它们的基极电流-两者！电流通常小于1uA。运算放大器确定自己需要多少电荷，但必须可用，并且对于两个输入，都必须定向到晶体管内部。如果仅在+和-输入之间连接“某物”，则电流不能同时流向晶体管，因为该“某物”会产生新的电荷。这是基尔霍夫定律。

在实际的运算放大器电路中，输入基极电流（=偏置电流）的方式是输入与电源电压轨或GND之间的某些导电部分。在这种情况下（请参见输入晶体管发射极中的箭头），-VE电源轨无法作为正确方向的输入电流供应器，但+ VE轨正常，如果通过添加电池将其抬升至-VE电位以上，则GND也可以。在-VE和GND之间，或通过连接到+ VE的电阻。

脚输入并没有更好。除了输入之间的“某物”之外，没有与其他任何地方的电流连接，由于累积到FET闸门中的泄漏电荷，它们很快就会漂移到不确定状态。

首先，接地是您在电路中参考所有电压的任意选择点。在最常见的简单电路配置中，将地选择为单电源的负极端子或对称电源的中点，这是（如您所指出的）运放的供电方式（至少在处理通常在基础文献中发现的“标准”电路）。

因此，您会感到困惑，因为通常的运算放大器模型具有差分输入，但其输出是以接地为参考的，因此产生了一个问题：运算放大器如何知道接地在哪里？它猜测，它根本不知道。

我什么意思 运算放大器的内部电路经过构建，理想情况下，零差分输入时，输出应位于运算放大器电源之间的一半位置。

如果电源是对称的（例如±15V），则该点恰好是接地（0V），但前提是您选择接地作为电源之间的中点（最常见的情况）。

另一方面，如果使用单电源（例如15V）为运算放大器供电，则输出将为7.5V。

当然，这是理想的行为，因为偏置电流，失调电压和共模范围将对实际器件产生影响。

另请参见《模拟放大器应用手册》的摘录，作者是Walt Jung，来自Analog Devices，第1章，第5页（黄色重点）。

通过内部信息（维基百科），这一点变得更加清楚。

那是双极晶体管输入的旧样式。适度的输入偏置电流（一些微安）流经晶体管，到达负/正电源轨。

FET和JFET输入的输入电流要小得多，但仍然有一个针对电源的参考-跨过FET的绝缘栅。

也可能有输入保护二极管。

否，如果您不将其中一个端子接地，则无法确定输出电压。为什么？由于输入偏置电流。运算放大器并不完美，它们需要少量电流。每个端子上的输入偏置电流可能因设备而异。

如果输入偏置电流足够小并且输入阻抗足够高，则其他电流可以确定端子上的电压。

如果您进行任何类型的感测，则需要将端子的一侧接地。

热电偶就像一个电压源，但是如果不将其接地，它可能会浮在任何地方。在（a）示例中，端子之间的电压是热电偶（和电压源）的电压，但实际上在任何地方，这两个端子的公共电压可能是0V，1V，-2.3V。

由于没有负面反馈，因此输出将是：

Vo = + Vcc（如果V +> V-，如您提供的图中所示）Vo = -Vee（如果V + <V-，如您反转Vd输入极性）

将它们视为理想的运算放大器（无论使用哪种电源-单或双），这都独立于Vcc和Vee。但问题是：系统不需要“地”即可工作，因为它只是利用它们之间的电压差来工作。

几个月前，我不得不建立一个光感应的“机器人花”，它指向最强的光源。它使用了四个LDR-一对用于向上/向下查找，一对用于水平转弯。每个LDR连接到一个电流源，并将其电位差提供给求和放大器。

我必须面对的问题之一是运算放大器是双电源类型之一（TL084）。我需要+/- 9V作为电源，我只能用一块电池。因此，我使用了一个ICL7660反相开关源（它们将+ 9V转换为-9V）。但是问题在于输入电流是这样的，以致输出电压下降（或上升）到-6V。在给求和放大器提供9V和-6V电压的同时，该电路无法正确找到其接地端，因此必须自己产生一个失调。请参阅：在这种情况下，接地应为“（9V +（-6V））/ 2 = 1.5 V” ...不为零（实际上，所述偏移约为1.5 V）

但这是因为该电路需要一个公共接地来将其输出与输入进行比较，因此这是负反馈本身过程的目标……并且该公共接地应该是两个电源节点之间的中点。就您的电路而言，它仅用作比较器，因此根据源Vd的极性，输出仅为9V或-6V。

抱歉，如果我的回答太长！分享不同的经验也许可以帮助他人，这很酷。这是我的第一篇文章！希望能有所帮助！