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了解運(yùn)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 | 477 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(shí)際上,這并不是理想運(yùn)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(yùn)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(gè)作為反相放大器連接的運(yùn)算放大器。與運(yùn)算放大器電路的情況幾乎一樣,其功能基于負(fù)反饋的使用。

  獲得該電路增益表達(dá)式的標(biāo)準(zhǔn)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(gè)不同的電壓是相同的?
  無限增益  我們可以假設(shè)兩個(gè)不同的電壓是相同的,因?yàn)閷?shí)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(yùn)算放大器是差分放大器。它通過對(duì)同相輸入端子的電壓與反相輸入端子的電壓之間的差應(yīng)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(qǐng)注意,當(dāng)開環(huán)增益增加時(shí)(對(duì)于給定的 V OUT)會(huì)發(fā)生什么:電壓差減小。當(dāng)增益接近無窮大時(shí),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(huì)消除虛擬短路假設(shè)的實(shí)際價(jià)值。為什么?因?yàn)椤疤摂M短路”只是運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸入電壓之間存在零差異的另一種說法,而在實(shí)際電路中,該差異“足夠接近”為零。實(shí)際運(yùn)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(gè) A = 100 dB 的運(yùn)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(dāng)開環(huán)增益足夠高以產(chǎn)生(非常)小的電壓差時(shí),虛擬短路作為實(shí)用的設(shè)計(jì)工具是可靠的,盡管事實(shí)上它是不現(xiàn)實(shí)的。事實(shí)上,這不僅不現(xiàn)實(shí)。這完全是自相矛盾的。
  思考細(xì)節(jié)
  零輸入悖論  我不喜歡有人告訴我對(duì) 0 V 信號(hào)應(yīng)用增益會(huì)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(yùn)算放大器是差分放大器,其輸入信號(hào)(即V IN+ –V IN–)為零。因此,理想的運(yùn)算放大器在所有條件下都會(huì)產(chǎn)生零輸出電壓……這似乎不是一個(gè)非常有用的設(shè)備。

  無法根據(jù)運(yùn)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(fù)反饋環(huán)境下實(shí)現(xiàn)運(yùn)算放大器時(shí)使用的一種工具。例如,當(dāng)我們分析標(biāo)準(zhǔn)同相放大器時(shí),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(dǎo)出閉環(huán)增益的表達(dá)式,就好像運(yùn)算放大器根本不存在一樣。
  當(dāng)我看到這個(gè)電路時(shí),我的大腦自然而然地忽略了三角形。運(yùn)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(dòng)。
  輸入是輸入還是輸出?
  如果將運(yùn)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(hào),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(dòng)至最大輸出電壓,并且輸入電壓保持在 1V。
  然而,當(dāng)我們開始談?wù)撎摂M空頭時(shí),情況就不那么簡單了。運(yùn)算放大器似乎正在利用其高增益來強(qiáng)制輸入電壓符合要求。例如,在反相配置中,一個(gè)輸入接地,另一個(gè)輸入接收輸入信號(hào),但運(yùn)算放大器隨后決定這兩個(gè)電壓應(yīng)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(fù)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(hào)(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(yùn)算放大器的增益影響輸出電壓,這導(dǎo)致我對(duì)虛擬短路的真正含義做出最終陳述:
  負(fù)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(huì)產(chǎn)生反相和同相輸入電壓之間的差異非常小的情況,因?yàn)閺臉O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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