運(yùn)算放大器中的虛擬接地和虛擬短路介紹

運(yùn)算放大器是模擬電子設(shè)計的主力。自遠(yuǎn)古以來，這些不起眼的設(shè)備被用于從簡單的電壓跟隨器到復(fù)雜的逆變器設(shè)計。在 CircuitDigest，我們已經(jīng)討論了各種運(yùn)算放大器電路及其應(yīng)用。今天，我們將研究另一個與運(yùn)算放大器相關(guān)的有趣概念，稱為虛擬接地和虛擬短路。那么，讓我們深入研究一下。

什么是虛擬接地和虛擬短路？

在進(jìn)入細(xì)節(jié)之前，讓我們看一下下面給出的數(shù)字。在圖（a）中，VA = VB 處的電壓，這是因?yàn)?VA 和 VB 點(diǎn)之間存在短路。在圖（b）中，VA 和 VB 之間沒有連接（短路）。但是，VB = VA 處的電壓仍然沒有與任何其他源連接，這意味著 VA 和 VB 之間應(yīng)該存在虛擬連接，或者由于某些其他虛擬效應(yīng)，VB 等于 VA。這是一種通常稱為“虛擬短路”的效應(yīng)。

同樣，在圖 （c） 中，即使 VA 連接到 5V 源，但由于某些影響，如果 VA= VB = 0V （Gnd_Potential） 意味著這種影響將被稱為“虛擬接地”。

上面提到的細(xì)節(jié)可能看起來很神奇或不切實(shí)際。但是，基本的運(yùn)算放大器操作遵循上述兩個概念，理解其背后的原因?qū)⒂兄诶斫馔暾倪\(yùn)算放大器物理。

基本運(yùn)算放大器工作規(guī)則：

基本運(yùn)算放大器的工作機(jī)制主要遵循以下兩個重要規(guī)則

運(yùn)算放大器的同相輸入和反相輸入處的電壓始終應(yīng)相等。內(nèi)部運(yùn)算放大器設(shè)計和輸出反饋電阻總是傾向于使它們相等，以保持穩(wěn)定的運(yùn)算放大器運(yùn)行。

根據(jù)運(yùn)算放大器的特性，運(yùn)算放大器具有較高的輸入阻抗和較低的輸出阻抗。因此，對于理想的運(yùn)算放大器操作，流經(jīng)運(yùn)算放大器輸入端子的電流假定為“零”。

運(yùn)算放大器中的虛擬短路

下面的電路是著名的非反相運(yùn)算放大器拓?fù)洌哂?1V 輸入和 R1 = R2 = 1KΩ 的增益電阻。它有一些定義的方程，以便找到輸入和輸出電壓關(guān)系之間的關(guān)系。我們可以應(yīng)用基本運(yùn)算放大器規(guī)則來查找輸出電壓，而不是使用那些定義的公式。

根據(jù)規(guī)則 - 1，反相輸入 （-） 電壓應(yīng)等于同相 （+） 輸入電壓，對于給定電路，V_Non_Inverting = 1V。與同相 （+） 引腳一樣，反相引腳 （-） 未連接到任何專用電壓源，只有運(yùn)算放大器 VOUT 可以使反相 （-） 端電壓為 1V。

因此，一旦運(yùn)算放大器“上電”，運(yùn)算放大器的內(nèi)部參數(shù)就會工作以使反相輸入電壓等于 1V，并且按照規(guī)則，沒有電流流過反相引腳。由于 R1 和 R2 成為以 VOUT 作為源電壓的分壓器，分壓器輸出應(yīng)等于同相輸入電壓。

輸出電壓從其先前狀態(tài)變?yōu)楦呋蚋偷碾妷弘娖剑允?V（+） = V（-）。在這里，由于 R1=R2 并且兩者都構(gòu)成分壓器組合，并且 VOUT = 2V 使得 （V+） = V（-）。

基于以下同相運(yùn)算放大器增益方程：

因此，對于同相運(yùn)算放大器，反相引腳電壓等于同相電壓，而兩個端子之間沒有直接短路，并且兩個端子上的相等電壓通過 Virtual Concept 發(fā)生，這種效應(yīng)稱為“虛擬短路”運(yùn)算放大器”。

運(yùn)算放大器中的虛擬接地概念

通過在下面的反相運(yùn)算放大器配置中應(yīng)用規(guī)則 1 和 2，反相引腳處的電壓應(yīng)為零。但是，反相引腳 （-） 通過 R1 連接到 5V 電源。根據(jù)規(guī)則 2，沒有電流流過反相 （-） 輸入，所有電流都流過 R1 和 R2。為了使 V（-） = 0，VOUT 必須提供補(bǔ)償電壓。

在給定的電路中，正 5V 通過 1K 電阻器提供給反相端，為了使反相端電壓 = 0，VOUT 應(yīng)為 -5V（由于 R2 = 1K）。如果修改了 R2 的值，則運(yùn)放內(nèi)部結(jié)構(gòu)也應(yīng)修改 VOUT，使 V（In-） = 0。

對于反相運(yùn)算放大器配置 =》 V1/R1 = -VOUT/R2

在此反相輸入配置中，反相輸入總是在“地電位”處提及（由于非反相輸入地電位），由于運(yùn)算放大器的內(nèi)部功能，它沒有與地直接連接。即使反相輸入由 5V 電源供電，反相端電壓也等于“Gnd”，這就是將其稱為“虛擬接地”或“虛擬接地”的原因。

運(yùn)算放大器中虛擬接地和虛擬短路的重要性

虛擬接地和虛擬短路是用于檢查任何運(yùn)算放大器電路的兩個重要參數(shù)。大多數(shù)運(yùn)算放大器電路推導(dǎo)和傳遞函數(shù)都是基于這兩個概念制定的，并且在不考慮運(yùn)算放大器的輸入?yún)?shù)的情況下使電路分析更簡單。

虛擬接地和虛擬短路概念僅適用于“閉環(huán)”運(yùn)算放大器電路。在開環(huán)或用作比較器的運(yùn)算放大器中，沒有反饋機(jī)制來控制反相和同相輸入電壓之間的匹配。因此，運(yùn)算放大器始終在飽和模式和虛擬接地下運(yùn)行，虛擬短概念不起作用。在這些類型的條件下，設(shè)計人員應(yīng)查看“差分輸入”電壓限制，以避免運(yùn)算放大器發(fā)生故障。

在某些閉環(huán)條件下，當(dāng)輸出匹配限制超過運(yùn)算放大器 Vcc 和 Vee 電源范圍時，虛擬接地和虛擬短路概念也將失效。

虛擬接地和虛擬短路空洞條件示例