Das Verständnis des virtuellen Kurzschlusses in den Schaltungen der Operationsverstärker

Dieser Artikel beschreibt und erläutert eine wichtige Vereinfachung Technik bei der Analyse des Operationsverstärkers verwendet.

Ein umfassenderes Verständnis der Funktionalität des Verstärkers, meiner Meinung nach, gut investierte Zeit. Diese Komponenten sind sehr häufig und zu Recht: sind einfach und vielseitig Geräte, die die erforderliche Funktionalität in einer scheinbar endlosen Liste von Anwendungen bieten.

Die Analyse und Entwurf von Schaltungen mit Operations ist eine interessante Sache, aus folgendem Grund: Wir analysieren die Operationsverstärker Verwendung von beispielhaften Annahmen, die eindeutig falsch sind, Aber selten finden wir es ernst durch Unterschiede verursacht Probleme zwischen dem eigentlichen Gerät und dem idealisierten Gerät zugrunde liegenden Annahmen.

Die virtuelle kurze

Eine dieser Annahmen wird die virtuelle Schaltung genannt, oder einfach virtuelle Kurz. eigentlich, Dies ist nicht eine der grundlegenden Eigenschaften eines idealen Operationsverstärker. eher, die virtuellen kurz ist eine theoretische Situation, die von einem der grundlegenden Eigenschaften eines idealen Operationsverstärker leitet, nämlich eine unendliche offene Schleifenverstärkung.

Stellen Sie sich vor, dass Sie einen Operationsverstärker als invertierender Verstärker angeschlossen haben. Wie fast immer geschieht es mit Operationsverstärker-Schaltungen, Die Funktionalität basiert auf der Verwendung von Feedback negativo.

die Standardmethode einen Ausdruck für die Verstärkung dieser Schaltung zu erhalten, ist anzunehmen, dass die Spannung an dem nichtinvertierenden Eingangsanschluß (VIN +) ist auf die Spannung an dem invertierenden Anschluß gleich (WEIN-). Da der nicht-invertierende Eingangsanschluss ist geerdet, VIN + = 0 V und dann VIN- = 0 V. aber warum? Weil wir, dass zwei unterschiedliche Spannungen sind die gleichen annehmen kann?

unendliche Verstärkung

Wir können davon ausgehen, dass zwei unterschiedliche Spannungen gleich sind, weil in Wirklichkeit die Differenz zwischen diesen Spannungen sehr klein ist und die Differenz zwischen den Spannungen ist sehr gering, da die Verstärkung sehr groß ist. Betrachten Sie das folgende Diagramm:

und seine folgende Gleichung Gleichung:

Ein Operationsverstärker ist ein Differentialverstärker. Es erzeugt eine Ausgangsspannung, die durch eine Open-Loop-Verstärkung der Anwendung (durch A angedeutet) die Differenz zwischen der Spannung am nicht invertierenden Eingangsanschluß und die Spannung an dem invertierenden Eingangsanschluß. Wenn wir diese Gleichung reorganisieren, so dass die Spannungsdifferenz von der Verstärkung getrennt, wir haben die folgende:

Beachten Sie, was passiert, wenn Sie die Open-Loop-Verstärkung erhöhen (für einen bestimmten V_AUS): die Spannungsdifferenz abnimmt. Wenn die Verstärkung gegen unendlich, die Spannungsdifferenz gegen Null. Mit anderen Worten:, wenn der Gewinn ist unendlich, V_{IN +} Es muss gleich sein, V_IM-, und dies ist die virtuelle Kurz.

ended Verstärkung

Die Unfähigkeit, eine unendliche Verstärkung Verstärker zu bauen, nicht den praktischen Wert des virtuellen kurze zunichte machen eingestellt. Warum? Warum “virtuelle Kurz” Es ist einfach eine andere Art zu sagen, dass es einen deutlichen Unterschied zwischen den beiden Eingangsspannungen des Operationsverstärkers ist, und in der realen Schaltungen ist der Unterschied “nahe genug” eine Null.

Die offene Schleifenverstärkung des tatsächlichen Operationsverstärker sein kann, größer ist als 100 dB. Dies ist ein Ausgang-zu-Eingang-Verhältnis von mindestens 100.000. Nehmen wir an, wenn wir einen Operationsverstärker mit A haben = 100 dB erzeugt eine Ausgangsspannung von 2,5 V wir:

sollte lesen 25 uV. Wenn die Leerlaufverstärkung ist hoch genug, um eine Spannungsdifferenz zu erzeugen, (sehr klein), die virtuelle Schaltung ist so zuverlässig wie ein praktisches Werkzeug Design, trotz der Tatsache, dass es unrealistisch ist,.

Das Nachdenken über die Details

Die NULLEINGABE- paradox

Ich mag es nicht, wenn man mir sagt, dass eine Verstärkung auf ein Signal angewendet 0 V erzeugt einen Ausgang zu 2,5 V. Ich habe schon als Kind gelernt, dass alles mal Null Null ist.

Der ideale Operationsverstärker ein Differenzverstärker ist und dessen Eingangssignal (nämlich V_{IM +}-V_IM-) es ist Null. deshalb, der ideale Operationsverstärker erzeugt, unter allen Bedingungen eine Ausgangsspannung gleich Null ist … Unter diesem Gesichtspunkt scheint nicht ein sehr nützliches Gerät.

natürlich, Dies ist der Punkt, wo die Hypothese teilweise unbegründet erweist. Sie können nicht die virtuelle Schaltung verwenden, um zu bestimmen VOUT entsprechend der normalen Funktion der offenen Schleife des Operationsverstärkers. eher, die virtuellen kurz ist ein Werkzeug, das verwendet wird, wenn der Operationsverstärker im Zusammenhang mit der negativen Rückkopplung implementiert ist,.

beispielsweise, Wenn wir einen Nicht-Standard-invertierender Verstärker analysieren, die virtuelle kurze Hypothese (in Verbindung mit der Annahme von Null-Eingangsstrom) Es erlaubt uns, einen Ausdruck für den Closed-Loop-Gewinn abzuleiten als ob der Operationsverstärker war nicht einmal da.

Wenn ich auf dieser Strecke aussehen, mein Geist ignoriert natürlich das Dreieck, welches die Betriebs, das Dreieck ist wie ein Stein im Wasser Strömung eines Flusses geworfen. Der Strom fließt um sie ohne Inkrementen und Subtraktion des Gesamtstroms fließt.

Der Eingang ist ein Eingang oder ein Ausgang?

Wenn Sie auf den Boden legen den invertierenden Eingangsanschluss eines Operationsverstärkers und ein Signal aus 1 V an den nicht invertierenden Eingangsanschluss, die Ausgabe wird sättigen und wird in der Nähe der positiven Versorgungs und die Differenz zwischen VIN bewegen + e WEIN- werden 1 V. Es ist nicht verwunderlich in dieser Rede; die hohe Leerlaufverstärkung der Pilotvorrichtung die Ausgabe bei der maximalen Ausgangsspannung und die Eingangsspannung bleibt auf 1 V.

jedoch, wenn wir anfangen, über die virtuelle Kurz zu sprechen, Die Situation ist weniger klar. Es scheint fast, dass der Operationsverstärker durch ihre hohe Verstärkung wird mit dem Gleichheitszeichen der Eingangsspannungen zu zwingen. In der invertierende Konfiguration, zum Beispiel, ein Eingang ist geerdet und das andere empfängt das Eingangssignal, aber dann der Operationsverstärker entscheidet, daß diese beiden Spannungen gleich sein müssen,. Was es wirklich geschieht?

wieder, die virtuelle Kurzschluss Hypothese ist etwas, das in Zusammenhang mit einem negativen Rückkopplungsverstärker besteht. In der invertierende Konfiguration, der invertierende Eingangsanschluß ist nicht nur mit dem Eingangssignal verbunden ist (über einen Widerstand) sondern auch an den Ausgangsanschluss (über einen Widerstand). Die Ausgangsspannung wirkt sich die Spannung an dem invertierenden Eingangsanschluß, und der Operationsverstärker Verstärkung wirkt sich auf die Ausgangsspannung, und dies führt zu meiner letzten Aussage über das, was tatsächlich die virtuelle Schaltung:

Das Vorhandensein eines Gegenkopplungsnetzwerk stellt eine Beziehung Ausgang-zu-Eingang;
die Differenz zwischen VIN + e WEIN- Es muss durch das Closed-Loop-Rückkopplungsnetzwerk auferlegt mit der Verstärkung im Einklang;
dann, die Schaltung schafft natürlich eine Situation, wo die Differenz zwischen dem invertierenden und nicht-invertierenden Eingangsspannung sehr klein ist, weil der einzige Weg, um eine typische Ausgangsspannung von einem Verstärker mit extrem hohen Verstärkungsdifferenz zu erzeugen, ist eine sehr kleine Spannungsdifferenz hat .