Понимание виртуального короткого замыкания в цепях операционных усилителей

Эта статья объясняет и обсуждает важную технику упрощения, используемую при анализе операционного усилителя.

Более глубокое понимание функциональности усилителя, по-моему, хорошо провели время. Эти компоненты чрезвычайно распространены и справедливо: простые и универсальные устройства, которые обеспечивают необходимую функциональность в, казалось бы, бесконечный список приложений.

Анализ и проектирование схем с эксплуатационным интересной вещью, по следующей причине: Мы анализируем операционные усилители, воспользовавшись примерных предположений, которые явно неправдоподобными, Но редко мы находим серьезные проблемы, вызванные различиями между фактическим устройством и идеализированным, лежащим в основе предположения.

Виртуальный короткий

Один из этих предположений называется виртуальным каналом, или просто виртуальный короткий. в действительности, это не является одним из основных характеристик идеального операционного усилителя. скорее, виртуальные короткая теоретическая ситуация, которая происходит от одной из основных характеристик идеального операционного усилителя, а именно усиление бесконечной петли с открытой.

Представьте себе, что у вас есть операционный усилитель, подключенный в качестве инвертирующего усилителя. Как почти всегда бывает с операционным усилителем схемами, Функциональность основана на использовании negativo обратной связи.

стандартный метод, чтобы получить выражение для коэффициента усиления этой схемы состоит в предположении, что напряжение на входной терминале неинвертирующего (VIN +) равно напряжению на инвертирующем терминале (ВИНО-). Так как входной терминал неинвертирующего заземлен, VIN + = 0 V а затем VIN- = 0 V. Но почему? Потому что мы можем предположить, что два различных напряжение одинаково?

бесконечное усиление

Можно предположить, что два различных напряжения одинаковы, потому что в действительности разница между этими напряжениями очень мала, а разность напряжений очень мало, потому что выигрыш очень большой. Рассмотрим следующую диаграмму:

и ее уравнение ниже уравнения:

Операционный усилитель представляет собой дифференциальный усилитель. Он производит выходное напряжение путем применения коэффициента усиления разомкнутого (обозначается) разность между напряжением на входной выводе неинвертирующего и напряжение на инвертирующем входе. Если мы реорганизовать это уравнение так, что разность напряжений отделена от усиления, мы имеем следующее:

Обратите внимание на то, что происходит, когда вы увеличиваете коэффициент усиления разомкнутого контура (для данного V_ВНЕ): разность напряжений уменьшается. Когда усиление приближается к бесконечности, разность напряжений приближается к нулю. Другими словами, если усиление бесконечно, V_{IN +} Она должна быть равна V_В-, и это виртуальный короткий.

Усиление состава

Невозможность построить усилитель бесконечного усиления не свести на нет практической ценности виртуального короткого замыкания наемной. почему? почему “виртуальный короткий” Это просто еще один способ сказать, что существует четкое различие между двумя входными напряжениями операционного усилителя, и в реальных схемах разница “достаточно близко” ноль.

усиления разомкнутого контура фактических операционных усилителей может быть больше, чем 100 децибел. Это отношение выхода ко входу по меньшей мере, 100.000. Скажем, если у нас есть операционный усилитель с A = 100 дБ производит выходное напряжение 2,5 V мы:

следует читать 25 мкВ. Когда коэффициент усиления разомкнутого контура достаточно высока, чтобы создать разность напряжения (очень маленький), виртуальный канал является настолько надежным, в качестве практического инструмента конструкции, несмотря на то, что это нереально.

Размышляя о деталях

Нулевой Входной парадокс

Я не люблю, когда мне говорят, что коэффициент усиления применяется к сигналу 0 В производит выходной сигнал на 2,5 V. Я уже узнал, как ребенок, что все время ноль равно нулю.

Идеально подходит операционный усилитель представляет собой дифференциальный усилитель и его входной сигнал (а именно: V_{В +}-V_В-) она равна нулю. поэтому, идеальный операционный усилитель производит выходное напряжение, равное нулю при всех условиях … рассматривать с этой точки зрения, кажется, не очень полезное устройство.

конечно, это точка, где гипотеза оказывается частично необоснованной. Вы не можете использовать виртуальную цепь для определения VOUT в соответствии с нормальной функцией открытой петли операционного усилителя. скорее, виртуальные короткий является инструментом, который используется, когда операционный усилитель реализован в контексте отрицательной обратной связи.

например, Когда мы анализируем нестандартный инвертирующий усилитель, виртуальная короткая гипотеза (в сочетании с предположением входного тока нулевой) Это позволяет получить выражение для коэффициента усиления замкнутого контура как если ОУ не было даже там.

Когда я смотрю на эту схему, мой ум, естественно, игнорирует треугольник, изображающий операционные, треугольник, как камень, брошенный в потоке воды реки. Ток течет вокруг него без приращений и вычитания из общего тока, протекающего.

Вход является входом или выходом?

Если вы положили на землю на инвертирующий входной вывод операционного усилителя и подает сигнал от 1 В к входному разъему неинвертирующего, выход будет насыщать и будет двигаться близко к положительному питания, а разница между VIN + е ВИНО- воли 1 V. Там нет ничего удивительного в этой речи; высокий коэффициент усиления разомкнутой управляющего устройства на выходе при максимальном выходном напряжении и входное напряжение остается на 1 V.

однако, когда мы начинаем говорить о виртуальных Шортах, Ситуация менее ясна. Это почти кажется, что операционный усилитель использует свой высокий коэффициент усиления, чтобы заставить знак равенства входных напряжений. В инвертирующих конфигурациях, например, один вход заземлен, а другой принимает входной сигнал, но тогда операционный усилитель решает, что эти два напряжение должно быть равно. Что это действительно происходит?

снова, гипотеза виртуальной короткого замыкания является то, что существует в контексте усилителя отрицательного обратной связи. В инвертирующих конфигурациях, инвертирующий вход терминал подключен не только к входному сигналу (через резистор) но также и к выходному терминалу (через резистор). Выходное напряжение влияет на напряжение на инвертирующем входе, и операционный коэффициент усиления усилителя влияет на выходное напряжение, и это приводит к моим окончательным заявлениям о том, что на самом деле виртуальная цепь:

Наличие отрицательной обратной связи сети устанавливает выход ко входу отношения;
разница между VIN + е ВИНО- Она должна быть согласована с усилением наложенного сети обратной связи с обратной связью;
то, схема, естественно, создает ситуацию, когда разница между инвертирующим и входным напряжением неинвертирующего очень мала, потому что единственный способ для получения типичного выходного напряжения от усилителя при разнице чрезвычайно высокого коэффициента усиления, чтобы иметь очень малую разность напряжений .