1.前提
我们需要明确以下几点(下文描述中运算放大器简称“运放”)
①“为了实现输出电压与输入电压的某种运算关系,运算电路中的集成运放应当工作在线性区,因而必须引入负反馈;且为了稳定输出电压,故均引入电压负反馈”。——见华成英主编《模拟电子技术基础》(第五版)
②在运算电路中,输入电压与输出电压均是对“地”而言。
③虚短的必要条件是运放引入深度负反馈,同时放大器开环增益足够大,在没有引入负反馈的电路中,这一条件不成立,因此不存在虚短。虚断主要是由于理想运放的输入电阻无限大,在没有负引入反馈的电路中,若输入阻抗很高,那么虚断仍然可能存在。
④集成运放的理想化参数:
(1)开环差模增益(放大倍数) = ∞;
(2)差模输入电阻 = ∞;
(3)输出电阻 = 0;
(4)共模抑制比 = ∞;
(5)上限截止频率 = ∞;
(6)失调电压、失调电流和它们的温漂/(℃)、/(℃)均为零,且无任何内部噪声。
2.虚短
表现:运放的正相输入端和反相输入端电压差趋近于0,即。
原因:首先,我们介绍一下——运放的开环增益(Open-Loop Gain)是指在没有反馈的情况下,运放输入端与输出端之间的电压增益(放大电压的能力)。
=
由于为有限值,理想运放的开环增益视作 = ∞(实际中也是非常高的值,在数千倍至数百万倍之间),即使输入端电压差很小,输出端也会发生很大的变化。当运放的输出端达到饱和状态时(为有限值),它将不再能增加输出电压,但 = ∞,那么根据公式来看,此时输入端电压差只能趋于0,即=0,因此运算放大器的两端电压差会被限制。
应用:
“虚短”在运放电路设计中具有重要应用。例如,在反相放大器中,由于虚短特性,输入端电压差为零,因此输出电压与输入电压成正比,且相位相反;在同相放大器中,虚短特性使得输入端电压差为零,输出电压与输入电压相等,且相位相同。
3.虚断
表现:流入运放的电流很小,两输入端相当于开路,即=0。
原因:由于运放的输入阻抗高,理想运放的输入阻抗为∞(实际应用中,运放输入级一般是场效应管组成的差分放大电路,场效应管是电压型器件,输入阻抗非常高),即=0,从输入端看进去相当于断路。在没有引入反馈的电路中,如果运算放大器的输入电阻仍然保持很大(如通用型运放的输入电阻都在1MΩ以上),那么虚断的特性仍然可能存在。
应用:
“虚断”在运放电路设计中也具有重要应用。例如,在差分放大器中,由于虚断特性,输入端电流为零,因此差分输入电压可以被准确地放大;在积分器和微分器中,虚断特性使得输入端电流为零,从而实现对输入信号的积分和微分运算。
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