用”虚短“和”虚断“分析运放电路

运算是模拟电路中十分重要的元件,它能组成放大、加法、减法、转换等各种电路,如何能更快更正确的分析运放电路,其实是不难的。那就是运用运放的“虚短”和“虚断”来分析电路,然后应用欧姆定律等电流电压关系,即可得输入输出的放大关系等。

下面简单说明如何应用”虚短“和”虚断“分析运放电路。

1.什么是虚短和虚断

“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。

 “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。

2.为什么可以这么看?

1).为什么可以看成虚短?

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。

简而言之,就是说由于运放放大倍数太大了,但是放大后的电压(输出)是有限的(比较小)。那么,输入电压就很小了,接近于0。等价于两个输入端的压差为0,也就是等电位。

2).为什么可以看成虚断?

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。 

3.示例1

在反相放大电路中,信号电压通过电阻R1加至运放的反相输入端,输出电压vo通过反馈电阻Rf反馈到运放的反相输入端,构成电压并联负反馈放大电路。

运放的同相端接地,那么此处的电压为0V。由于反相端和同相端虚短,所以也是0V。同时,反相输入端输入电阻很高,这样也就是虚断,几乎没有电流注入和流出运放,那么R1和Rf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Rf的电流是相同的。

根据欧姆定律:

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Is= (Vs- V-)/R1 ………a 

If= (V- - Vo)/Rf ……b 

V- = V+ = 0 ………………c 

Is= If ……………………d 

求解后可能Vo== (-Rf/R1)*Vi 

注意:

  • 在分析电路的过程中,暂时不用管运放的其他特性,就根据虚短和虚断的特性来分析。
  • 当然,若运放不工作在放大区时,不满足虚短和虚断发条件,不能使用此种方法来分析。如比较器。

4.例子2

如下图,是运放实现的加法器,用虚短和虚断的方法来分析此电路。

由于电路存在虚短,运放的净输入电压vI=0,反相端为虚地。

vI=0,vN=0…………………………………………a

反相端输入电流iI=0的概念,通过R2与R1的电流之和等于通过Rf的电流故 (Vs1 – V-)/R1 + (Vs2 – V-)/R2 = (V- –Vo)/Rf…………b.

如果取R1=R2=R3,由a,b两式解得-Vout=Vs1+Vs2.

式中负号为反相输入所致,若再接一级反相电路,可消去负号,

总结:

  • 虚短是运放正输入端和负输入端的电压相等,近似短路;
  • 虚断是流入正负输入端的电流为0

     只要掌握了这一点,在运用欧姆定律,即可很容易的分析同相比例放大电路,反向比例放大电路等常用的运放放大电路。

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