虚拟地面悖论?

电器工程 运算放大器 回馈 虚地
2022-01-28 15:17:37

我无法接受我认为与运算放大器的虚拟接地相关的自相矛盾的情况。如果这是一个非常愚蠢的问题,请原谅我。

当运算放大器(理想)中的“负反馈”使其输入端子之间的差异等于“零”时。输出不应该也变为,因为运算放大器本质上是一个差分放大器,并且根据等式:

Vo =(开环增益)*(输入端差分电压)

虚拟地面图

到目前为止,我提出的解释是:-

1) 运算放大器输出确实为零,并且是外部电路 (由电阻器 Rf 和 Rin 组成)产生了电压,该电压在B点与运算放大器输出电压(在本例中为零)相加,从而产生系统的实际输出。

2)虚地不完美,输入端存在一个非常小的差分电压,乘以非常高的增益并产生输出。

我根本无法理解运算放大器行为的实际定义如何与虚拟接地现象一致而不使输出为零。请帮忙!

4个回答

这是#2。对于“完美”的理论运算放大器,开环增益是无限的,这使得输入端的差异为零。在引入运算放大器电路时,或者在弄清楚事情应该如何工作时,人们通常会考虑“完美”的运算放大器。

在考虑电路的性能时,我们通常必须开始考虑真正运算放大器的缺陷。对于真正的运算放大器,开环增益不是无限的,输入之间存在一些差异。以 LM324 为例,开环增益约为 115dB。这比一百万伏特/伏特少一点,所以如果有一个 1V 直流输出,那么输入会相差大约 1uV。大多数时候你可以忽略它。

对于 AC,它变得更加复杂。在较高频率下,增益下降。对于 LM324,它达到 0dB,即在大约 1MHz 时为 1V/V。到那时,输入肯定会有很大的差异。实际上,放大器不再工作了。对于介于两者之间的频率,放大器的增益(包括反馈)会有所不同。术语“增益带宽积”用于描述给定运算放大器在什么频率下可以获得的增益。

这只是真正的运算放大器所具有的众多缺陷之一。另一个非常相关的是输入失调电压。这是导致零输出的输入差异,它并不总是完全为 0。在许多情况下,这可能比有限的增益更重要。您可能要考虑的其他缺陷是饱和/削波、输入电流、PSRR、CMRR、非零输出阻抗等等。

问题是您混淆了两种不同型号的运算放大器。

一个真实的但有点理想化的运算放大器是一个差分放大器,其输出取决于以下输入(忽略饱和):

$$ V_{out} = A_{Vol} \cdot (V^+ - V^-) $$

使用这个简化模型(简化是因为它忽略了饱和度、偏移电压、偏置电流、带宽和其他实际影响)以及\$A_{Vol}\$(开环增益)很大的事实,您可以证明,当运算放大器连接在负反馈电路中时,虚拟短路成立,但仅当您将 \$A_{Vol}\$ 近似为无限时。

通过这种剧烈的近似,您可以获得零差分输入并且仍然是有限输出,因为开环增益被假定为无限。

实际上,开环增益不是无限的,您的有限输出是由于非常小的差分输入(通常在 μV 范围内)。将那个小差分输入乘以实际的开环增益,就得到了有限的输出。

不过,使用虚拟短路要简单得多。一旦意识到运算放大器电路具有负反馈,您可以使用虚拟短路理想化 (\$V^+ = V^-\$) 来分析电路的工作原理,而无需考虑差分的实际值输入,这变得无关紧要(除非您需要更精细的细节),只要您避免输出饱和。

让我们做整个shebang,从头到尾,而不是零碎地做。让我们从运算放大器的定义开始。

$$ V_{out}= A_{OL}(V_+ - V_-)$$

正如已经指出的那样,\$A_{OL}\$ 是一个非常大的数字,但我们暂时不考虑它。

只需将其转换为原始图中的符号,$$ V_{B}= A_{OL}(0 - V_A)$$ $$ V_B=-V_AA_{OL}$$

现在,我们可以开始应用基尔霍夫电流定律了。

$$\frac{V_{in}-V_A}{R_{in}}= \frac{V_A-V_B}{R_f}$$

$$\frac{R_f}{R_{in}}(V_{in}-V_A)=V_A-V_B$$

$$ V_B=V_A - \frac{R_f}{R_{in}}(V_{in}-V_A)$$

$$ V_B = V_A \left( 1 + \frac{R_f}{R_{in}} \right)- \frac{R_f}{R_{in}}V_{in}$$

现在,我们可以根据运算放大器 $$ V_B = -\frac{V_B}{A_{OL}} \left( 1 + \frac{R_f}{R_{ in}} \right)- \frac{R_f}{R_{in}}V_{in}$$

最后,现在我们可以应用 \$A_{OL}\to\infty \$ ,这使得第一项归零。

$$\lim_{A_{OL}\to\infty} V_B = - \frac{R_f}{R_{in}}V_{in}$$

这是您的标准反相放大器方程。另外,请注意 \$V_A=-\frac{V_B}{A_{OL}}=0\$,在反相输入端留给我们一个“虚拟接地”。因此,不存在悖论。虚拟接地概念与负反馈布置中的无限开环增益运算放大器完全一致。对于傻笑,在积极的反馈中尝试相同的练习,然后看着它爆炸。

在不因假设而丢弃条款的情况下完成这些事情,还可以向您展示可能出现错误的地方。例如,您可以在取限制之前从等式中看到,如果您要求获得淫秽收益,并且 \$R_f\$ 比 \$R_{in}\$ 大许多数量级,那么事情可能无法解决那么好。

在数学方面,您可以这样想:0 * 无穷大(这是理想的运算放大器假设)不是 0,而是不确定的形式。为了完全严格,当增益接近无穷大(并且输入差异接近零)时,您将获得极限。如果你费尽心思去做这一切(这很痛苦,所以在实践中没有人会打扰,除非教授介绍这个想法),你会看到价值是由周围的迂回决定的。