带你了解运算放大器电路设计中虚拟接地和虚拟短路重要性

运算放大器是模拟电子设计的主力军。自远古以来，从简单的电压跟随器到复杂的逆变器设计都使用了这些不起眼的设备。在 CircuitDigest，我们已经讨论了范围广泛的运算放大器电路及其应用。

今天，我们将研究另一个与运算放大器相关的有趣概念，称为虚拟接地和虚拟短路。接下来就跟随IC先生www.mrchip.cn一起深入研究一下吧。

什么是虚地和虚短路？

在进入细节之前，让我们看一下下面给出的数字。在图（a）中，VA处的电压=VB，这是因为VA和VB点之间存在短路。在图（b）中，VA和VB之间没有连接（短路）。但是 VB = VA 的电压仍然没有与任何其他源连接意味着 VA 和 VB 之间应该存在虚拟连接，或者由于其他一些虚拟效应，VB 等于 VA。这是一种通常称为“虚短路”的效应。

同样，在图 (c) 中，即使 VA 连接到 5V 电源，但由于某些影响，如果 VA = VB = 0V (Gnd_Potential) 意味着这种影响将被称为“虚拟接地”。

上面提到的细节可能看起来很神奇或不切实际。但是，基本的运算放大器操作遵循上述两个概念，理解这背后的原因将有助于理解完整的运算放大器物理原理。

运算放大器的基本工作规则：

基本运算放大器的工作机制主要遵循以下 2 个重要规则

1. 运算放大器的同相输入端和反相输入端的电压始终应相等。内部运算放大器设计和输出反馈电阻总是倾向于使它们相等，以保持运算放大器的稳定运行。
2. 根据运算放大器的特性，运算放大器具有较高的输入阻抗和较低的输出阻抗。因此，对于理想的运算放大器操作，流经运算放大器输入端子的电流被假定为“零”。

运算放大器中的虚拟短路

下面的电路是著名的非反相运算放大器拓扑结构，它具有 1V 输入和增益电阻 R1 = R2 = 1KΩ。它有一些定义的方程式，以便找到输入和输出电压关系之间的关系。我们可以应用基本运算放大器规则来计算输出电压，而不是使用那些定义的公式。

根据规则 - 1，反相输入 (-) 电压应等于同相 (+) 输入电压，对于给定电路，V_Non_Inverting = 1V。与同相 (+) 引脚一样，反相引脚 (-) 未连接到任何专用电压源，只有运算放大器 VOUT 可以使反相 (-) 端电压达到 1V。

因此，一旦运算放大器“通电”，运算放大器的内部参数就会起作用，使反相输入电压等于 1V，并且按照规则，没有电流流过反相引脚。由于 R1 和 R2 成为以 VOUT 作为源电压的分压器，分压器输出应等于同相输入电压。

输出电压从其先前状态变化到更高或更低的电压电平，以使 V(+) = V(-)。这里，由于 R1=R2 并且两者构成分压器组合，并且 VOUT = 2V 使得 (V+) = V(-)。  

基于以下同相运算放大器增益方程：

因此，对于非反相运算放大器，反相引脚电压等于非反相电压，两个端子之间没有直接短路，两个端子上的相等电压通过虚拟概念发生，这种效应称为“虚拟短路”运算放大器”。

运算放大器中的虚拟接地概念

通过在下面的反相运算放大器配置中应用规则 1 和规则 2，反相引脚上的电压应为零。但是，反相引脚 (-) 通过 R1 连接到 5V 电源。根据规则 2，没有电流流过反相 (-) 输入，所有电流都流过 R1 和 R2。为了使V(-) = 0，VOUT 必须提供补偿电压。

在给定电路中，正 5V 通过 1K 电阻提供给反相端，为了使反相端电压 = 0，VOUT 应为 -5V（由于 R2 = 1K）。如果修改了 R2 值，则 VOUT 也应通过运算放大器内部结构进行修改，以使 V(In-) = 0。

对于反相运算放大器配置 => V1/R1 = -VOUT/R2

在此反相输入配置中，由于运算放大器的内部功能，反相输入始终在“地电位”（由于非反相输入地电位）中提及，而没有与地直接连接。即使反相输入由 5V 电源提供，反相端电压也等于“Gnd”，这就是将其称为“虚拟地”或虚拟地球的原因。

运算放大器中虚拟接地和虚拟短路的重要性

虚拟接地和虚拟短路是用于检查任何运算放大器电路的两个重要参数。大多数Op-Amp电路的推导和传递函数都是基于这两个概念制定的，并且在不考虑Op-Amp输入参数的情况下使电路分析更简单。

虚拟接地和虚拟短路概念仅适用于“闭环”运算放大器电路。在开环或用作比较器的运算放大器中，没有反馈机制来控制反相和同相输入电压之间的匹配。因此，运算放大器始终在饱和模式和虚拟接地下运行，虚拟短路概念不起作用。在这些类型的条件下，设计人员应研究“差分输入”电压限制，以避免运算放大器发生故障。

在某些闭环条件下，当输出匹配限制超过运算放大器 Vcc 和 Vee 电源范围时，虚拟接地和虚拟短路概念也将失效。

虚拟接地和虚拟短空洞条件的示例