在
電子電路的分析領(lǐng)域，虛斷和虛短是分析
運算放大器電路的核心概念。通過這兩個概念，能夠極大地簡化復(fù)雜電路的分析過程。下面我們將詳細介紹虛斷和虛短的概念，并利用它們對 11 個基本運放電路進行深入分析。
- 虛短：由于運放的電壓放大倍數(shù)極大，一般通用型運算放大器的開環(huán)電壓放大倍數(shù)都在 80dB 以上，而運放的輸出電壓是有限的，通常在 10V - 14V 之間。這就導(dǎo)致運放的差模輸入電壓不足 1mV，兩輸入端近似等電位，如同 “短路” 一般。“虛短” 指的是在分析運算放大器處于線性狀態(tài)時，可把兩輸入端視為等電位，但顯然不能將兩輸入端真正短路。
- 虛斷：運放的差模輸入電阻很大，一般通用型運算放大器的輸入電阻都在 1MΩ 以上。因此流入運放輸入端的電流往往不足 1uA，遠小于輸入端外電路的電流。所以通?？砂堰\放的兩輸入端視為開路，且輸入電阻越大，兩輸入端越接近開路?！疤摂唷?是指在分析運放處于線性狀態(tài)時，可以把兩輸入端視為等效開路，同樣不能將兩輸入端真正斷路。
在分析運放電路工作原理時，我們先拋開同向放大、反向放大、加法器、減法器等輸入輸出關(guān)系的公式，也暫時不考慮輸入偏置電流、共模抑制比、失調(diào)電壓等電路參數(shù)，將實際放大器當作理想放大器來分析，這樣能讓我們更清晰地理解電路原理。
- 反向放大器：運放同向端接地為 0V，根據(jù)虛短，反向端也為 0V。又因為虛斷，反向輸入端幾乎沒有電流注入和流出，R1 和 R2 相當于串聯(lián)，流過它們的電流相同。通過一系列計算可得反向放大器的輸入輸出關(guān)系式為Vout=(?R2/R1)?Vi。
- 同向放大器：Vi與反向輸入端虛短，即Vi=V?。由于虛斷，反向輸入端無電流輸入輸出，通過 R1 和 R2 的電流相等。經(jīng)推導(dǎo)可得同向放大器的公式為Vout=Vi?(R1+R2)/R2。
- 加法器 1：由虛短可知反向端和同向端電壓為 0V，根據(jù)虛斷及基爾霍夫定律，通過 R2 與 R1 的電流之和等于通過 R3 的電流。若取R1=R2=R3，則可得?Vout=V1+V2，這就是加法器的原理。
- 加法器 2：因為虛斷，運放同向端無電流流過，所以流過 R1 和 R2 的電流相等，流過 R4 和 R3 的電流也相等。若R1=R2，R3=R4，可推導(dǎo)出Vout=V1+V2，同樣實現(xiàn)了加法功能。
- 減法器：由虛斷可知通過 R1 和 R2 的電流相等，通過 R4 和 R3 的電流相等。若R1=R2，R3=R4，再結(jié)合虛短，可得出Vout=V2?V1，即實現(xiàn)了減法運算。
- 積分電路：根據(jù)虛短，反向輸入端電壓與同向端相等；由虛斷可知，通過 R1 的電流與通過 C1 的電流相等。經(jīng)推導(dǎo)可得輸出電壓與輸入電壓對時間的積分成正比，即Vout=((?1/(R1?C1))∫V1dt。若V1為恒定電壓 U，則Vout=?U?t/(R1?C1)，輸出電壓是一條從 0 至負電源電壓按時間變化的直線。
- 微分電路：由虛斷可知通過電容 C1 和電阻 R2 的電流相等，由虛短可知運放同向端與反向端電壓相等。則Vout=?i?R2=?(R2?C1)dV1/dt，這是一個微分電路。若V1是突然加入的直流電壓，輸出Vout對應(yīng)一個方向與V1相反的脈沖。
- 差分放大電路：根據(jù)虛短和虛斷，可得出Vout=(Vy?Vx)(R1+R2+R3)/R2，其中(R1+R2+R3)/R2是定值，確定了差值(Vy?Vx)的放大倍數(shù)，這就是差分放大電路。
- 電流檢測：很多控制器接收 0 - 20mA 或 4 - 20mA 電流，需將其轉(zhuǎn)換成電壓后送 ADC 處理。通過虛短和虛斷分析，可將 4 - 20mA 電流轉(zhuǎn)換成 - 0.88 - -4.4V 電壓，若將電流反接則得到 + 0.88 - +4.4V 電壓。
- 電壓電流轉(zhuǎn)換檢測：該電路中負反饋通過三極管 Q1 的發(fā)射結(jié)串聯(lián)，只要是放大電路，虛短虛斷規(guī)律依然適用。經(jīng)分析可得R7兩端的電壓和輸入電壓Vi相等，通過R7的電流I=Vi/R7，若負載RL<<100KΩ，則通過RL和R7的電流基本相同。
- 傳感器檢測：以三線制 PT100 前置放大電路為例，通過虛短和虛斷分析，可得出輸出電壓V5是Rx的函數(shù)。若測出V5、V6的值，就可算出Rx及R0，進而通過查 pt100 分度表知道溫度的大小。
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