理想运放和虚断虚短的详解

运放1-运放的基础知识之理想运放和虚断虚短的概念

运放这个器件在电路设计中经常会遇到，相比于电阻，电容，电感，三极管，MOS管等基础器件不同，运放相对来说比较复杂，也是最易出问题的，下面我们先从基本的知识来了解。

以上是基本运放的引脚图，从图中我们可以看到包含电源引脚和输入输出引脚，电源引脚而言，运放可以单电源供电也可以双电源供电，根据不同的运放，参考其规格书来进行电路的设计。下面我们详细介绍下理想运放和虚断虚短的知识。

1.理想运放

理想运放这个概念是什么意思呢，就是运放的理想工作状态。也就是说排除器件的不理想因素，比如不考虑温漂，漏电，寄生电感，寄生电容等因素，我们暂时将运放当做理想的，然后来分析下这个电路实现了啥功能，然后再看看器件的哪些因素的影响可能导致电路失效或者工作异常等。

理想运放主要有以下三个特点：

1）增益无穷大；

2）输入阻抗无穷大；

3）输出阻抗为零；

我来依次对以上三个特点进行剖析：

增益无穷大，根据增益的公式：Gx=20log(Av);以Ti的uA741来介绍，从规格书可知，开环增益为105DB左右，计算下：Av=10^5.25=177828，大概为18万倍，这个参数在一般电路中的几十倍的放大倍数来说，这个放大倍数相当大了。

输入阻抗无穷大，继续以Ti的uA741来介绍，典型值2MΩ，这个芯片在运放的阻抗算偏小的，比如TI的LM358的输入阻抗就更大，其差分阻抗10MΩ，共模输入阻抗4GΩ；

输出阻抗为0，一般来说我们不会用运放来驱动大功率负载，而运放的输出阻抗一般可以在规格书可以查看，一般来说比较小，也就几十Ω或者上百Ω，相对于后续电路来说基本可以忽略，因此可以看出输出阻抗无穷小。

以上分别是Ti的uA741的阻抗：75R；LM358阻抗：300R；

也许会有人说这阻抗不低，这个还是得看实际的应用场景，如果运放后续的短路等效输入阻抗比较高的话，则可以忽略，如果负载阻抗本身也就几十或者上百Ω的话，自然不能忽略的。

2.虚断

虚断相对于虚短来说简单点，前面说了运放的输入阻抗无穷大，如给运放的输入端加电压，那么流入流出的运放输入引脚的电流几乎为0，阻抗无穷大，自然没电流，也相当于开路，或者断路。但是在应用的时候，往往跟完全断路不同，因为运放还会感应输入端的电压，所以也不是真的断路，为此称之为"虚断"。

虚断跟把运放接成什么电路没关系，只要是运放基本都可以用虚断来分析（实际运放输入端还是有电流的，只是很微弱，若外部电阻实在太大的话，导致电阻电流接近或超过运放的输入端微型电流，虚断可能会失效）。

相对于虚断的的基本无门槛应用，运放的虚短可能相对复杂些。

3.虚短

虚短使用需要有两个条件：

1）电路为负反馈电路；

2）运放工作在放大区；

首先理解下虚短的概念，虚短意思就是同相端和反相端的电压一样，跟短路一样。

假设刚开始时，各处的电压都为0 ，突然给u1端加一个电压2.5V，因uo一开始为0V，根据虚断分析，那u-没有电流流入放大器，所以u-为uo在R1，R2上的分压，依然为0；

当u+瞬间为2.5V后，u-为0V，u+>u-,放大器会朝着电压增大的方向放大，即uo电压会开始升高。

当uo增大到1V时，u-依然为uo在R1，R2上的分压，即为0.5V，此时u+=2.5V，u+>u-,放大器将电压继续正向放大，因此uo继续增大。

那么uo增大到啥时候才不再增大了，我们先从理想运放来看，放大倍数无穷大的话，uo就会增大，即满足uo=Au*(u+-u-)。

只有当uo增大到5V时，u-电压为uo在R1，R2上的分压正好为2.5V，即u+=u-，此时放大器到达平衡，不在放大，也就是稳态。

为啥一定得u-=u+,不能u- >u+吗？我们假设万一uo>5V,则u- >u+，此时放大器的会将输出电压反向放大，也就是减小，最终电压还是像5V靠近。因此不论电路初始状态电压怎么样，最终输出都会稳定在5V，且u+=u-，因为一旦u+≠u-，那么在无穷大的放大倍数下，输出必然会变化，最终还是会u+=u-。

u+不等于u-，输出就会变化，这个变化又会被送回到输入端，导致u+和u-的差值变小，也意味着输入信号变小。这不就是负反馈吗？对于上面这个负反馈电路也是最终结果是u+=u-。

若调换u+和u-，如下图：

同样的给其加2.5V电压，因为uo最初是0V，那么u+也是0V，即u+

以前面负反馈的例子继续分析，当输入2.5V时，输出就是5V了，但是假如只有3.3V供电呢？

显然输出不能超过5V，此时放大器已经工作在饱和区，顶天放大器只能放大到3.3V，因此输出最终达不到5V，那u-自然道不了2.5V，即u+不等于u-,也不满足虚短的条件。所以说虚短必须要放大器工作在放大区。

总结：

理想运放特点：

增益无穷大；

输入阻抗无穷大；

输出阻抗为零；

虚断的使用条件：

基本无门槛(运放的输入阻抗非常大)；

虚短使用的条件：

负反馈；

工作在线性放大区；

审核编辑：汤梓红