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了解運算放大器電路中的虛擬短路

出處:維庫電子市場網(wǎng) 發(fā)布于:2024-11-15 16:29:08 | 368 次閱讀

  這些假設(shè)之一稱為虛擬短路,或簡稱為虛擬短路。實際上,這并不是理想運算放大器的基本特性之一。相反,虛擬短路是一種理論上的情況,由理想運算放大器的基本特征之一(即無限開環(huán)增益)引起?! 〖僭O(shè)我們有一個作為反相放大器連接的運算放大器。與運算放大器電路的情況幾乎一樣,其功能基于負反饋的使用。

  獲得該電路增益表達式的標準方法是假設(shè)同相輸入端子 (V IN+ ) 處的電壓等于反相端子 (V IN– ) 處的電壓。由于同相輸入端子接地,V IN+ = 0 V,因此 V IN– = 0 V。但為什么呢?為什么我們可以假設(shè)兩個不同的電壓是相同的?
  無限增益  我們可以假設(shè)兩個不同的電壓是相同的,因為實際上這些電壓之間的差異非常小,并且由于增益非常大,因此電壓之間的差異非常小??紤]下面的圖表和方程:

  $$V_{OUT}=A\次(V_{IN+}-V_{IN-})$$
  運算放大器是差分放大器。它通過對同相輸入端子的電壓與反相輸入端子的電壓之間的差應用開環(huán)增益(用 A 表示)來產(chǎn)生輸出電壓。如果我們重新排列該方程,以便將電壓差與增益分開,我們將得到以下結(jié)果:
  $$\frac{V_{OUT}}{A}=V_{IN+}-V_{IN-}$$
  請注意,當開環(huán)增益增加時(對于給定的 V OUT)會發(fā)生什么:電壓差減小。當增益接近無窮大時,電壓差接近零。換句話說,如果增益無窮大,V IN+必須等于V IN–,這就是虛擬短路。
  有限增益
  不可能構(gòu)建無限增益放大器并不會消除虛擬短路假設(shè)的實際價值。為什么?因為“虛擬短路”只是運算放大器的兩個輸入電壓之間存在零差異的另一種說法,而在實際電路中,該差異“足夠接近”為零。實際運算放大器的開環(huán)增益可以大于 100 dB。也就是說,產(chǎn)出與投入的比率至少為 100,000。假設(shè)我們有一個 A = 100 dB 的運算放大器,它產(chǎn)生 2.5 V 的輸出電壓。
  $$V_{IN+}-V_{IN-}=\frac{2.5\ V}{100,000}=0.000025\ V$$
  那是 25 V。當開環(huán)增益足夠高以產(chǎn)生(非常)小的電壓差時,虛擬短路作為實用的設(shè)計工具是可靠的,盡管事實上它是不現(xiàn)實的。事實上,這不僅不現(xiàn)實。這完全是自相矛盾的。
  思考細節(jié)
  零輸入悖論  我不喜歡有人告訴我對 0 V 信號應用增益會產(chǎn)生 2.5 V 輸出。我很久以前就知道零乘以零等于零。理想的運算放大器是差分放大器,其輸入信號(即V IN+ –V IN–)為零。因此,理想的運算放大器在所有條件下都會產(chǎn)生零輸出電壓……這似乎不是一個非常有用的設(shè)備。

  無法根據(jù)運算放大器的正常開環(huán)功能使用虛擬短路來確定 V OUT 。相反,虛擬短路是我們在負反饋環(huán)境下實現(xiàn)運算放大器時使用的一種工具。例如,當我們分析標準同相放大器時,虛擬短路假設(shè)(與零輸入電流假設(shè)相結(jié)合)使我們能夠推導出閉環(huán)增益的表達式,就好像運算放大器根本不存在一樣。
  當我看到這個電路時,我的大腦自然而然地忽略了三角形。運算放大器的增益 包含在虛擬空頭假設(shè)中,除此之外,三角形就像投入溪流中的一塊石頭。電流只是繞著它流動。
  輸入是輸入還是輸出?
  如果將運算放大器的反相輸入端子接地并向同相輸入端子施加 1 V 信號,則輸出將在正電源軌處(或接近)飽和,并且 V IN+和 V IN–之間的差值為 1 V。這里沒什么奇怪的;該器件的高開環(huán)增益將輸出驅(qū)動至最大輸出電壓,并且輸入電壓保持在 1V。
  然而,當我們開始談論虛擬空頭時,情況就不那么簡單了。運算放大器似乎正在利用其高增益來強制輸入電壓符合要求。例如,在反相配置中,一個輸入接地,另一個輸入接收輸入信號,但運算放大器隨后決定這兩個電壓應該相同。這里究竟發(fā)生了什么?
  同樣,虛擬短路假設(shè)存在于負反饋放大器的背景下。在反相配置中,反相輸入端子不僅連接到輸入信號(通過電阻器),還連接到輸出端子(通過電阻器)。輸出電壓影響反相輸入端子的電壓,運算放大器的增益影響輸出電壓,這導致我對虛擬短路的真正含義做出最終陳述:
  負反饋網(wǎng)絡(luò)的存在建立了輸入到輸出/輸出到輸入的關(guān)系;
  V IN+和 V IN–之間的差值必須與反饋網(wǎng)絡(luò)施加的閉環(huán)增益一致;
  因此,電路自然會產(chǎn)生反相和同相輸入電壓之間的差異非常小的情況,因為從極高增益差分放大器產(chǎn)生典型輸出電壓的唯一方法是具有非常小的電壓差。
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