運(yùn)放電路—虛短虛斷介紹

最近在公司碰到了電流采樣用的同相運(yùn)放電路，運(yùn)放應(yīng)該是模電中的基石了，大學(xué)時(shí)掛科的頭疼歷歷在目。什么微積分加減法器，什么差動(dòng)輸入…關(guān)系公式看著就糊涂。不過誰讓這些東西是我們電子打工人的飯碗呢，還是得老老實(shí)實(shí)從最簡(jiǎn)單原理學(xué)起。

進(jìn)入主題，運(yùn)算放大器顧名思義，猜想就能夠?qū)?a target="_blank">信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算并能夠放大作用的電路，但是它有什么性質(zhì)呢，先來看看兩個(gè)貫穿所有運(yùn)放組合電路的特性。

• 虛短

我們知道一個(gè)理想的導(dǎo)線兩端如果流過電流，則兩端電間沒有電位差就是短路，如下是運(yùn)放模型及轉(zhuǎn)移特性曲線。運(yùn)放在一定的條件下輸入兩端的電位相等，稱為虛短。運(yùn)放虛短的實(shí)現(xiàn)有兩個(gè)條件；一是運(yùn)放的開環(huán)增益要足夠大，二是要構(gòu)成負(fù)反饋電路。

運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)，輸出電壓與輸入電壓呈現(xiàn)線性關(guān)系，其中，Uo是集成運(yùn)放的輸出電壓；U+和U-分別是同相及反相輸入端的電壓，Ud為其電壓差(Ud=Uo/A)；A是開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)。理想運(yùn)放的開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)等于無窮大，而輸出電壓為確定數(shù)值，則同相輸入端電壓與反相輸入端電壓近似相等，如同將u+和u-兩點(diǎn)短路，兩點(diǎn)短路為等效短路，所以把這種現(xiàn)象稱為虛短。

運(yùn)放工作在非線性區(qū)時(shí)，輸出電壓不再隨輸入電壓線性增長(zhǎng)，輸出電壓就達(dá)到飽和值。當(dāng)u+>u-時(shí)；運(yùn)放工作在正向飽和區(qū)，輸出正飽和值。反之工作在負(fù)向飽和壓，輸出負(fù)飽和值。運(yùn)放工作在非線性區(qū)時(shí)u+≠u-，就不存在“虛短”現(xiàn)象了。

• 虛斷

輸入阻抗無窮大：記得RLC諧振電路的性質(zhì)；當(dāng)處于諧振狀態(tài)的時(shí)候電路對(duì)外呈現(xiàn)出純阻抗的性質(zhì)；電容電感產(chǎn)生無功功率進(jìn)行能量交換，所以相當(dāng)于與前級(jí)電阻斷開（對(duì)外呈現(xiàn)一個(gè)很大的阻抗）這就是虛斷的概念。

運(yùn)放的輸入端也是對(duì)外呈現(xiàn)出很大的阻抗，能流過的電流極小（uA級(jí)別），這是運(yùn)放本身的特性，所以在無論任何運(yùn)放電路中都有這個(gè)虛斷這個(gè)概念。

• 小結(jié)運(yùn)放的特性

1. 極大的輸入電阻：高輸入阻抗，輸入端流入電流近于0，幾乎不取用信號(hào)源電流，近于電壓控制特性，從而導(dǎo)出“虛斷”概念。
2. 極小的輸出電阻：具有（在負(fù)載能力以內(nèi)）不挑負(fù)載，適應(yīng)任意負(fù)載的特性。后級(jí)負(fù)載電路的阻抗大小不會(huì)影響到輸出電壓。
3. 無窮大的電壓放大倍數(shù)（實(shí)際的放大倍數(shù)是有限）：在一定供電電壓條件下，放大器僅能工作閉環(huán)（負(fù)反饋）模式下。在閉環(huán)狀態(tài)下，放大器隨機(jī)比較兩輸入端的電位高低，不等時(shí)輸出級(jí)即時(shí)做出調(diào)整動(dòng)作，整個(gè)放大過程就是動(dòng)態(tài)平衡的調(diào)整。（放大的最后目的就是使兩輸入端電位相等，從而能導(dǎo)出“虛短”概念）

• 實(shí)例分析

以下圖這種我接觸得較多的采樣電路為例，可以實(shí)現(xiàn)將電流轉(zhuǎn)換成電壓后再送ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。如仿真電路所示；電流流過采樣電阻R1，在R1上會(huì)產(chǎn)生電壓差。由虛斷知，運(yùn)放輸入端沒有電流流過，則流過R2和R3的電流相等，流過R4和R5的電流相等。

由虛斷列公式：同相輸入端電壓V+

反向相輸入端電壓V-

再由虛短知：V+ = V-，則聯(lián)立方程就可解出Vout，這就實(shí)現(xiàn)了對(duì)于電流信號(hào)的采樣轉(zhuǎn)化以便送由ADC處理。

總結(jié)： 以上的一個(gè)簡(jiǎn)單的原理電路也算是把虛短虛短真正應(yīng)用到了一個(gè)電路中去分析，而不是死記著公式去套用，也算是對(duì)運(yùn)放有了一個(gè)淺層的了解。