运放电路—虚短虚断介绍

最近在公司碰到了电流采样用的同相运放电路，运放应该是模电中的基石了，大学时挂科的头疼历历在目。什么微积分加减法器，什么差动输入…关系公式看着就糊涂。不过谁让这些东西是我们电子打工人的饭碗呢，还是得老老实实从最简单原理学起。

进入主题，运算放大器顾名思义，猜想就能够对信号进行运算并能够放大作用的电路，但是它有什么性质呢，先来看看两个贯穿所有运放组合电路的特性。

• 虚短

我们知道一个理想的导线两端如果流过电流，则两端电间没有电位差就是短路，如下是运放模型及转移特性曲线。运放在一定的条件下输入两端的电位相等，称为虚短。运放虚短的实现有两个条件；一是运放的开环增益要足够大，二是要构成负反馈电路。

运放工作在线性区时，输出电压与输入电压呈现线性关系，其中，Uo是集成运放的输出电压；U+和U-分别是同相及反相输入端的电压，Ud为其电压差(Ud=Uo/A)；A是开环差模电压放大倍数。理想运放的开环差模电压放大倍数等于无穷大，而输出电压为确定数值，则同相输入端电压与反相输入端电压近似相等，如同将u+和u-两点短路，两点短路为等效短路，所以把这种现象称为虚短。

运放工作在非线性区时，输出电压不再随输入电压线性增长，输出电压就达到饱和值。当u+>u-时；运放工作在正向饱和区，输出正饱和值。反之工作在负向饱和压，输出负饱和值。运放工作在非线性区时u+≠u-，就不存在“虚短”现象了。

• 虚断

输入阻抗无穷大：记得RLC谐振电路的性质；当处于谐振状态的时候电路对外呈现出纯阻抗的性质；电容电感产生无功功率进行能量交换，所以相当于与前级电阻断开（对外呈现一个很大的阻抗）这就是虚断的概念。

运放的输入端也是对外呈现出很大的阻抗，能流过的电流极小（uA级别），这是运放本身的特性，所以在无论任何运放电路中都有这个虚断这个概念。

• 小结运放的特性

1. 极大的输入电阻：高输入阻抗，输入端流入电流近于0，几乎不取用信号源电流，近于电压控制特性，从而导出“虚断”概念。
2. 极小的输出电阻：具有（在负载能力以内）不挑负载，适应任意负载的特性。后级负载电路的阻抗大小不会影响到输出电压。
3. 无穷大的电压放大倍数（实际的放大倍数是有限）：在一定供电电压条件下，放大器仅能工作闭环（负反馈）模式下。在闭环状态下，放大器随机比较两输入端的电位高低，不等时输出级即时做出调整动作，整个放大过程就是动态平衡的调整。（放大的最后目的就是使两输入端电位相等，从而能导出“虚短”概念）

• 实例分析

以下图这种我接触得较多的采样电路为例，可以实现将电流转换成电压后再送ADC转换成数字信号。如仿真电路所示；电流流过采样电阻R1，在R1上会产生电压差。由虚断知，运放输入端没有电流流过，则流过R2和R3的电流相等，流过R4和R5的电流相等。

由虚断列公式：同相输入端电压V+

反向相输入端电压V-

再由虚短知：V+ = V-，则联立方程就可解出Vout，这就实现了对于电流信号的采样转化以便送由ADC处理。

总结： 以上的一个简单的原理电路也算是把虚短虚短真正应用到了一个电路中去分析，而不是死记着公式去套用，也算是对运放有了一个浅层的了解。