虛短虛斷的使用條件
虛斷的存在是無(wú)條件的,因?yàn)檫@是由它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的,電流進(jìn)不去。(當(dāng)然是理想狀態(tài))
虛短的存在是有條件的,這個(gè)條件是“運(yùn)放要處于放大狀態(tài)”,要滿(mǎn)足這個(gè)條件只有兩種狀態(tài):
1、在開(kāi)環(huán)電路中,輸入兩端的電壓差非常小,不會(huì)讓運(yùn)放飽和;
2、在閉環(huán)的深度反饋電路中。
虛地只是虛短的一種特例。
什么情況下運(yùn)放才能用虛短和虛斷的概念
運(yùn)放“虛短” 的實(shí)現(xiàn)有兩個(gè)條件:
1 ) 運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益A要足夠大;
2 ) 要有負(fù)反饋電路。
先談第一點(diǎn),我們知道,運(yùn)放的輸出電壓Vo等于正相輸入端電壓與反相輸入端電壓之差Vid乘以運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益A。即
Vo = Vid * A = (VI+ - VI-) * A ( 1 )
由于在實(shí)際中運(yùn)放的輸出電壓不會(huì)超過(guò)電源電壓,是一個(gè)有限的值。在這種情況下,如果A 很大,(VI+ - VI-)就必然很??;如果(VI+ - VI-)小到某程度,那么我們實(shí)際上可以將其看作0,這個(gè)時(shí)候就會(huì)有VI+ = VI-,即運(yùn)放的同相輸入端的電壓與反相輸入端的電壓相等,好象連在一起一樣,這我們稱(chēng)為“虛短路” 。注意它們并未真正連在一起,而且它們之間還有電阻,這一點(diǎn)一定要牢記。
在上面的討論中,我們是怎樣得到“虛短” 的結(jié)果的呢?
我們的出發(fā)點(diǎn)是公式,它是運(yùn)放的特性,是沒(méi)有問(wèn)題的,我們可以放心。然后,我們作了兩個(gè)重要的假設(shè),一個(gè)是運(yùn)放的輸出電壓大小有限,這沒(méi)有問(wèn)題,運(yùn)放輸出當(dāng)然不會(huì)超過(guò)電源,因此這個(gè)假設(shè)絕對(duì)成立,所以以后我們就不提了。第二個(gè)是說(shuō)運(yùn)放開(kāi)環(huán)增益A很大。普通運(yùn)放的A通常都達(dá)10**6,10**7甚至更高,這個(gè)假設(shè)一般沒(méi)問(wèn)題,但不要忘記,運(yùn)放的實(shí)際開(kāi)環(huán)增益還與其工作狀態(tài)有關(guān),離開(kāi)了線(xiàn)性區(qū),A就不一定大了,所以,這第二個(gè)假設(shè)是有條件的,我們也先記住這一點(diǎn)。
因此我們知道,當(dāng)運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益A很大時(shí),運(yùn)放可以有“虛短” 。但這只是可能性,不是自動(dòng)就實(shí)現(xiàn)的,隨便拿一個(gè)運(yùn)放說(shuō)它的兩個(gè)輸入端是“虛短” 沒(méi)有人會(huì)相信。“虛短” 要在特定的電路中才能實(shí)現(xiàn)。
請(qǐng)先看圖1的電路,如果我們將反相輸入端IN-的電平固定,比如在0V,在同相輸入端IN+加一個(gè)固定電壓V1,并取V1 = 1mV,設(shè)運(yùn)放的A = 10**6。這樣,按照公式( 1 ) ,運(yùn)放的輸出電壓Vo應(yīng)該為
Vo = A * ( V1 – 0 )
= 1000000 * 1 /1000
= 1000 (V)
顯然,Vo 到不了1000V,它上升不到VCC運(yùn)放就飽和了,A也不再是1000000了,上面的計(jì)算完全不成立,輸出電壓停止在比VCC略小的數(shù)值上。
這種是沒(méi)有負(fù)反饋的情況,比較器就工作在這種情況,“虛短” 在這里不存在,兩個(gè)輸入段之間的電壓差是1mV。
如果我們加上負(fù)反饋電路,如圖2所示,即將輸出電壓Vo的一部分反送到運(yùn)放的反相輸入端。初始時(shí)V1 = 0,Vo = 0,反相輸入端的電壓也是0。然后我們同樣將V1調(diào)為1mV,在V1調(diào)高這一瞬間,(VI+ - VI-) = 1mV,運(yùn)放受到這樣一個(gè)正輸入電壓,其輸出電壓馬上上升。由于有負(fù)反饋,VI- = Vo * R1 / (R1 + Rf) 也跟著上升,從而使得(VI+ - VI-)變小,這一小,Vo上升就變慢。最后,當(dāng)Vo上升到一個(gè)值,使得VI- = VI+ = V1,即(VI+ - VI-) = 0,這時(shí)Vo就不動(dòng)了,而運(yùn)放的兩個(gè)輸入端就處于“虛短” 狀態(tài)。可以看出,“虛短” 所以得以實(shí)現(xiàn)是由于有負(fù)反饋使VI- 逼近VI+的緣故。
所以“虛短” 存在的條件是:
1 ) 運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益A要足夠大;
2 ) 要有負(fù)反饋電路。
明白了“虛短” 得條件后我們就很容易判斷什么時(shí)候能什么時(shí)候不能用“虛短” 作電路分析了。
在實(shí)際上,條件( 1 ) 對(duì)絕大多數(shù)運(yùn)放都是成立的,關(guān)鍵要看工作區(qū)域。如果是書(shū)上的電路,通過(guò)計(jì)算判斷;如果是實(shí)際電路,用儀器量運(yùn)放輸出電壓是否合理即可知道。
與“虛短” 相關(guān)的還有一種情況叫“虛地” ,就是有一個(gè)輸入端接地時(shí)的“虛短” ,不是新情況。
有些書(shū)上說(shuō)要深度負(fù)反饋條件下才能用“虛短” ,我覺(jué)得這不準(zhǔn)確,我認(rèn)為這樣說(shuō)的潛思考是,在深度負(fù)反饋的情況下運(yùn)放更可能工作在線(xiàn)性區(qū)。但這不是絕對(duì)的,輸入信號(hào)太大時(shí),深度負(fù)反饋的運(yùn)放照樣進(jìn)入飽和。所以,應(yīng)該以輸出電壓值判斷最可靠。
也就是說(shuō)“增益很大的運(yùn)放工作在線(xiàn)性區(qū)”才滿(mǎn)足“虛短”條件,滿(mǎn)足條件的有兩種電路狀態(tài):
1,開(kāi)環(huán)狀態(tài)中,輸入兩端間的電壓很小。
2,閉環(huán)的深度負(fù)反饋電路。
注:集成運(yùn)放引入的負(fù)反饋通??梢哉J(rèn)為是深度負(fù)反饋(因?yàn)樵鲆鍭很大,反饋系數(shù)F很小。即AF1)
評(píng)論
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