理想運放和虛斷虛短的詳解

運放1-運放的基礎(chǔ)知識之理想運放和虛斷虛短的概念

運放這個器件在電路設(shè)計中經(jīng)常會遇到，相比于電阻，電容，電感，三極管，MOS管等基礎(chǔ)器件不同，運放相對來說比較復(fù)雜，也是最易出問題的，下面我們先從基本的知識來了解。

以上是基本運放的引腳圖，從圖中我們可以看到包含電源引腳和輸入輸出引腳，電源引腳而言，運放可以單電源供電也可以雙電源供電，根據(jù)不同的運放，參考其規(guī)格書來進行電路的設(shè)計。下面我們詳細(xì)介紹下理想運放和虛斷虛短的知識。

1.理想運放

理想運放這個概念是什么意思呢，就是運放的理想工作狀態(tài)。也就是說排除器件的不理想因素，比如不考慮溫漂，漏電，寄生電感，寄生電容等因素，我們暫時將運放當(dāng)做理想的，然后來分析下這個電路實現(xiàn)了啥功能，然后再看看器件的哪些因素的影響可能導(dǎo)致電路失效或者工作異常等。

理想運放主要有以下三個特點：

1）增益無窮大；

2）輸入阻抗無窮大；

3）輸出阻抗為零；

我來依次對以上三個特點進行剖析：

增益無窮大，根據(jù)增益的公式：Gx=20log(Av);以Ti的uA741來介紹，從規(guī)格書可知，開環(huán)增益為105DB左右，計算下：Av=10^5.25=177828，大概為18萬倍，這個參數(shù)在一般電路中的幾十倍的放大倍數(shù)來說，這個放大倍數(shù)相當(dāng)大了。

輸入阻抗無窮大，繼續(xù)以Ti的uA741來介紹，典型值2MΩ，這個芯片在運放的阻抗算偏小的，比如TI的LM358的輸入阻抗就更大，其差分阻抗10MΩ，共模輸入阻抗4GΩ；

輸出阻抗為0，一般來說我們不會用運放來驅(qū)動大功率負(fù)載，而運放的輸出阻抗一般可以在規(guī)格書可以查看，一般來說比較小，也就幾十Ω或者上百Ω，相對于后續(xù)電路來說基本可以忽略，因此可以看出輸出阻抗無窮小。

以上分別是Ti的uA741的阻抗：75R；LM358阻抗：300R；

也許會有人說這阻抗不低，這個還是得看實際的應(yīng)用場景，如果運放后續(xù)的短路等效輸入阻抗比較高的話，則可以忽略，如果負(fù)載阻抗本身也就幾十或者上百Ω的話，自然不能忽略的。

2.虛斷

虛斷相對于虛短來說簡單點，前面說了運放的輸入阻抗無窮大，如給運放的輸入端加電壓，那么流入流出的運放輸入引腳的電流幾乎為0，阻抗無窮大，自然沒電流，也相當(dāng)于開路，或者斷路。但是在應(yīng)用的時候，往往跟完全斷路不同，因為運放還會感應(yīng)輸入端的電壓，所以也不是真的斷路，為此稱之為"虛斷"。

虛斷跟把運放接成什么電路沒關(guān)系，只要是運放基本都可以用虛斷來分析（實際運放輸入端還是有電流的，只是很微弱，若外部電阻實在太大的話，導(dǎo)致電阻電流接近或超過運放的輸入端微型電流，虛斷可能會失效）。

相對于虛斷的的基本無門檻應(yīng)用，運放的虛短可能相對復(fù)雜些。

3.虛短

虛短使用需要有兩個條件：

1）電路為負(fù)反饋電路；

2）運放工作在放大區(qū)；

首先理解下虛短的概念，虛短意思就是同相端和反相端的電壓一樣，跟短路一樣。

假設(shè)剛開始時，各處的電壓都為0 ，突然給u1端加一個電壓2.5V，因uo一開始為0V，根據(jù)虛斷分析，那u-沒有電流流入放大器，所以u-為uo在R1，R2上的分壓，依然為0；

當(dāng)u+瞬間為2.5V后，u-為0V，u+>u-,放大器會朝著電壓增大的方向放大，即uo電壓會開始升高。

當(dāng)uo增大到1V時，u-依然為uo在R1，R2上的分壓，即為0.5V，此時u+=2.5V，u+>u-,放大器將電壓繼續(xù)正向放大，因此uo繼續(xù)增大。

那么uo增大到啥時候才不再增大了，我們先從理想運放來看，放大倍數(shù)無窮大的話，uo就會增大，即滿足uo=Au*(u+-u-)。

只有當(dāng)uo增大到5V時，u-電壓為uo在R1，R2上的分壓正好為2.5V，即u+=u-，此時放大器到達(dá)平衡，不在放大，也就是穩(wěn)態(tài)。

為啥一定得u-=u+,不能u- >u+嗎？我們假設(shè)萬一uo>5V,則u- >u+，此時放大器的會將輸出電壓反向放大，也就是減小，最終電壓還是像5V靠近。因此不論電路初始狀態(tài)電壓怎么樣，最終輸出都會穩(wěn)定在5V，且u+=u-，因為一旦u+≠u-，那么在無窮大的放大倍數(shù)下，輸出必然會變化，最終還是會u+=u-。

u+不等于u-，輸出就會變化，這個變化又會被送回到輸入端，導(dǎo)致u+和u-的差值變小，也意味著輸入信號變小。這不就是負(fù)反饋嗎？對于上面這個負(fù)反饋電路也是最終結(jié)果是u+=u-。

若調(diào)換u+和u-，如下圖：

同樣的給其加2.5V電壓，因為uo最初是0V，那么u+也是0V，即u+

以前面負(fù)反饋的例子繼續(xù)分析，當(dāng)輸入2.5V時，輸出就是5V了，但是假如只有3.3V供電呢？

顯然輸出不能超過5V，此時放大器已經(jīng)工作在飽和區(qū)，頂天放大器只能放大到3.3V，因此輸出最終達(dá)不到5V，那u-自然道不了2.5V，即u+不等于u-,也不滿足虛短的條件。所以說虛短必須要放大器工作在放大區(qū)。

總結(jié)：

理想運放特點：

增益無窮大；

輸入阻抗無窮大；

輸出阻抗為零；

虛斷的使用條件：

基本無門檻(運放的輸入阻抗非常大)；

虛短使用的條件：

負(fù)反饋；

工作在線性放大區(qū)；