了解运算放大器电路中的虚拟短路

本文介绍了运算放大器分析中使用的重要简化技术。

相关信息

• 运算放大器简介（运算放大器）

对于那些在现实生活中寻求真正的电路设计专业知识的人来说，在我看来，获得对运放功能和实现的更透彻的理解是值得花时间的。这些组件是非常常见的，而且是正确的——它们是简单的、通用的设备，在看似无穷无尽的应用程序列表中提供所需的功能。

运算放大器电路的分析和设计是一个有趣的事情,因为以下原因:我们分析放大器的帮助下简化假设显然是假的,但是我们很少体验真实设备之间的差异造成的严重问题和假设是基于理想设备。

虚拟短片

其中一个假设称为虚拟短路，或只是虚拟短路。实际上，这不是理想运算放大器的基本特征之一。相反，虚拟短暂是一种理论形式，它是由理想运算放大器的一个基本特征之一，即无限开环增益的一个基本特征。

让我们想象我们拥有作为反相放大器连接的运算放大器。由于运算放大器电路几乎总是如此，功能基于使用负面的反馈。

获得该电路增益表达式的标准方法是假定非反相输入端电压(V_在+）等于反相终端的电压（V_{在- - - - - -}）。由于非变速器输入端接地，V_在+= 0 V，因此V_{在- - - - - -}= 0 V。但是为什么呢?为什么我们可以假设两个不同的电压是相同的?

无限增益

我们可以假设两个不同的电压是相同的，因为实际上，这些电压之间的差异非常小，并且电压之间的差异非常小，因为增益非常大。考虑下图和等式：

$$ v_ {out} = a \ times（v_ {in +} - v_ {in - }）$$

运放是一种差分放大器。它通过对非反相输入端电压与反相输入端电压之差施加开环增益(用A表示)来产生输出电压。如果我们重新整理这个方程，使差电压与增益分离，我们有:

$$ \ frac {v_ {out}} {a} = v_ {in +} - v_ {in - } $$

注意当开环增益增加时(对于给定的V_出）：差电压降低。随着收益接近无穷大，差电压接近零。换句话说，如果增益是无限的，v_在+必须等于v_{在- - - - - -}，这是虚短。

有限增益

构建无限增益放大器的不可能性不会使虚拟短假设的实际值无效。为什么？因为“虚拟短”是简单的另一种方式，说明运算放大器的两个输入电压之间存在零差，并且在实际电路中，差异是“足够接近”到零。实际运算放大器的开环增益可以大于100 dB。这是输出到输入比例至少为100,000。假设我们有一个带有= 100 dB的运算放大器，它产生了2.5 V的输出电压。

的$ $ V_ {+} -V_{-} = \压裂{2.5 V \} {100000} = 0.000025 \ V $ $

那是25μV。当开环增益足够高以产生（非常）小的差电压时，尽管它是不现实的，但虚拟短路可靠是一种实用的设计工具。实际上，这不仅是不现实的。这是彻头彻尾的矛盾。

考虑细节

零输入悖论

我不喜欢有人告诉我在0 V信号上加一个增益会产生2.5 V的输出。我很久以前就知道了0乘以某个东西等于0。理想的运放是一个差分放大器，它的输入信号(即V_在+-v._{在- - - - - -}）是零。因此，理想的运算放大器在所有条件下产生零的输出电压......似乎看起来不太有用的设备。

当然，这就是假设崩溃的地方。您无法使用虚拟短路来确定v_出基于运算放大器的正常开环功能。相反，虚拟短是我们在运算放大器在负反馈的上下文中实现运算放大器时使用的工具。例如，当我们分析标准的非变速器放大器时，虚拟短假设（与零输入电流假设结合）允许我们导出闭环增益的表达式就好像运算放大器根本不存在一样。

当我看到这个电路时，我的大脑自然忽略了这个三角形。这运算放大器的增益在虚拟短暂假设中包裹除此之外，三角形就像一块扔进小溪里的石头。电流只是绕着它流动。

输入输入还是输出？

如果将运算放大器的反相输入端子接地并将1 V信号施加到非变换输入端子，则输出将在正导轨（或接近）正轨处饱和，V之间的差异_在+和V._{在- - - - - -}将是1 V.这里没有什么令人惊讶的;该设备的高开环增益将输出驱动到最大输出电压，输入电压保持在1 V.

然而，当我们开始谈论虚卖空时，情况就不那么简单了。似乎运放利用其高增益迫使输入电压符合要求。例如，在反相配置中，一个输入接地，另一个接收输入信号，但是运算放大器决定这两个电压应该是相同的。这里到底发生了什么?

同样，虚拟短假设是在负反馈放大器的上下文中存在的东西。在反相配置中，反相输入端子不仅连接到输入信号（通过电阻器），还连接到输出端子（通过电阻器）。输出电压会影响反相输入端子处的电压，并且运算放大器的增益会影响输出电压，这导致我关于虚拟短路的最终陈述真的是：

• 负反馈网络的存在建立了输入-输出/输出-输入的关系;
• v之间的差异_在+和V._{在- - - - - -}必须与反馈网络施加的闭环增益一致;
• 因此，该电路自然会造成反相和非反相输入电压之间的差异非常小的情况，因为从一个极高增益的差分放大器产生一个典型输出电压的唯一方法是有一个非常小的电压差异。

结论

我希望这次讨论帮助您更彻底地了解虚拟短暂的假设，最近在我写一篇文章时在我的脑海中用于压电传感器的电荷放大器-虚短路(在这种情况下是虚地)允许输出信号不受电缆电容变化的影响。如果你对这个话题有任何其他见解，请在下面的评论部分分享你的想法。