【运放学习】：虚短、虚短、虚地、深度负反馈

【运放学习】：虚短、虚短、虚地、深度负反馈

  (2011-07-16 08:08:47)

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分类： 【汽车电子】

运算放大器组成的电路五花八门，令人眼花瞭乱，是模拟电路中学习的重点。在分析它的工作原理时倘没有抓住核心，往往令人头大。

 

遍观所有模拟电子技朮的书籍和课程，在介绍运算放大器电路的时候，无非是先给电路来个定性，比如这是一个同向放大器，然后去推导它的输出与输入的关系，然后得出Vo=(1+Rf)Vi，那是一个反向放大器，然后得出Vo=-Rf*Vi……最后往往得出这样一个印象：记住公式就可以了！如果我们将电路稍稍变换一下，他们就找不着北了！

 

今天，芯片级维修教各位战无不胜的两招，这两招在所有运放电路的教材里都写得明白，就是“虚短”和“虚断”，不过要把它运用得出神入化，就要有较深厚的功底了。

 

虚短和虚断的概念

由于运放的电压放大倍数很大，一般通用型运算放大器的开环电压放大倍数都在80 dB以上。而运放的输出电压是有限的，一般在 10 V～14 V。因此运放的差模输入电压不足1 mV，两输入端近似等电位，相当于 “短路”。开环电压放大倍数越大，两输入端的电位越接近相等。

“虚短”是指在分析运算放大器处于线性状态时，可把两输入端视为等电位，这一特性称为虚假短路，简称虚短。显然不能将两输入端真正短路。

由于运放的差模输入电阻很大，一般通用型运算放大器的输入电阻都在1MΩ以上。因此流入运放输入端的电流往往不足1uA，远小于输入端外电路的电流。故 通常可把运放的两输入端视为开路，且输入电阻越大，两输入端越接近开路。“虚断”是指在分析运放处于线性状态时，可以把两输入端视为等效开路，这一特性 称为虚假开路，简称虚断。显然不能将两输入端真正断路。

 

 在分析运放电路工作原理时，首先请各位暂时忘掉什么同向放大、反向放大，什么加法器、减法器，什么差动输入……暂时忘掉那些输入输出关系的公式……这些东东只会干扰你，让你更糊涂﹔也请各位（维修者身份）暂时不要理会输入偏置电流、共模抑制比、失调电压等电路参数，这是设计者要考虑的事情。我们理解的就是理想放大器（其实在维修中和大多数设计过程中，把实际放大器当做理想放大器来分析也不会有问题）。

   好了，让我们抓过两把“板斧”------“虚短”和“虚断”，开始“庖丁解牛”了。===============================================================================================================

　　图一运放的同向端接地=0V，反向端和同向端虚短，所以也是0V，反向输入端输入电阻很高，虚断，几乎没有电流注入和流出，那么R1和R2相当于是串联的，流过一个串联电路中的每一只组件的电流是相同的，即流过R1的电流和流过R2的电流是相同的。

　　流过R1的电流I1 = (Vi - V-)/R1 ……a

　　流过R2的电流I2 = (V- - Vout)/R2 ……b

　　 V- = V+ = 0 ……c

　　 I1 = I2 ……d

　　求解上面的初中代数方程得Vout = (-R2/R1)*Vi

　　这就是传说中的反向放大器的输入输出关系式了。======================================

 

【相关知识】：集成运放的开环增益、电压传输特性、线性工作范围和闭环电压增益。

 

【解题方法】：集成运放的开环增益很大，所以输入信号的线性范围很小，加上负反馈后，运放的线性输入范围就扩大到倍，因而才能对输入信号进行正常的线性放大。

 

【解答过程】：集成运放的开环增益很大，所以输入信号的线性范围很小，如运放的，最大输出电压为±10V，由此可推算出输入电压的线性范围只有-0.1mV～ +0.1mV，失调或外界干扰信号已远远超出这个范围，故集成运放在开环时实际上无法实现线性放大，开环集成运放接通电源后输出已处于最大饱和输出电压（+10V或-10V）。

    加上负反馈后，运放的闭环电压增益减小到开环时的，所以运放的线性输入范围也同时扩大到倍，如图10所示，可见输入线性范围扩大后才能对输入信号进行正常的线性放大。应该注意，此时运放的净输入电压的线性变化范围仍只有-0.1mV~ +0.1mV，所扩大的只是外加输入电压范围。

 

 

图10 负反馈扩大运放的线性输入范围

 

     可见只有加上深度负反馈，才能保证运放工作在线性放大区，另外，集成运放加上深度负反馈后，还能改善其他的许多性能指标，所以集成运放在线性应用电路中必须加深度负反馈。

在深度负反馈时，运放处于线性工作区，正常工作，+、-两端电压接近相同（虚短），电流接近为零（虚断），即运放是个高阻抗，高灵敏的放大器，仅此而已。虚短和虚断，造出这两个概念本来是为了形象化解释，但却似乎让人晕眩了。   “虚短”发生时，如果+端接地，则产生了“虚地”的概念。   运放“虚短” 的实现有两个条件：     1 ) 运放的开环增益A要足够大；     2 ) 要有负反馈电路。 因此我们知道，当运放的开环增益A很大时，运放可以有“虚短” 。但这只是可能性，不是自动就实现的，随便拿一个运放说它的两个输入端是“虚短” 没有人会相信。“虚短” 要在特定的电路中才能实现。 -------------------------------------------------------------------------------------

下面是我自己原创增加的部分：

同相放大器：

反相放大器：