運放1-運放的基礎知識之理想運放和虛斷虛短的概念

運放這個器件在電路設計中經常會遇到，相比于電阻，電容，電感，三極管，MOS管等基礎器件不同，運放相對來說比較復雜，也是最易出問題的，下面我們先從基本的知識來了解。

以上是基本運放的引腳圖，從圖中我們可以看到包含電源引腳和輸入輸出引腳，電源引腳而言，運放可以單電源供電也可以雙電源供電，根據不同的運放，參考其規格書來進行電路的設計。下面我們詳細介紹下理想運放和虛斷虛短的知識。

1.理想運放

理想運放這個概念是什么意思呢，就是運放的理想工作狀態。也就是說排除器件的不理想因素，比如不考慮溫漂，漏電，寄生電感，寄生電容等因素，我們暫時將運放當做理想的，然后來分析下這個電路實現了啥功能，然后再看看器件的哪些因素的影響可能導致電路失效或者工作異常等。

理想運放主要有以下三個特點：

1）增益無窮大；

2）輸入阻抗無窮大；

3）輸出阻抗為零；

我來依次對以上三個特點進行剖析：

增益無窮大，根據增益的公式：Gx=20log(Av);以Ti的uA741來介紹，從規格書可知，開環增益為105DB左右，計算下：Av=10^5.25=177828，大概為18萬倍，這個參數在一般電路中的幾十倍的放大倍數來說，這個放大倍數相當大了。

輸入阻抗無窮大，繼續以Ti的uA741來介紹，典型值2MΩ，這個芯片在運放的阻抗算偏小的，比如TI的LM358的輸入阻抗就更大，其差分阻抗10MΩ，共模輸入阻抗4GΩ；

輸出阻抗為0，一般來說我們不會用運放來驅動大功率負載，而運放的輸出阻抗一般可以在規格書可以查看，一般來說比較小，也就幾十Ω或者上百Ω，相對于后續電路來說基本可以忽略，因此可以看出輸出阻抗無窮小。

以上分別是Ti的uA741的阻抗：75R；LM358阻抗：300R；

也許會有人說這阻抗不低，這個還是得看實際的應用場景，如果運放后續的短路等效輸入阻抗比較高的話，則可以忽略，如果負載阻抗本身也就幾十或者上百Ω的話，自然不能忽略的。

2.虛斷

虛斷相對于虛短來說簡單點，前面說了運放的輸入阻抗無窮大，如給運放的輸入端加電壓，那么流入流出的運放輸入引腳的電流幾乎為0，阻抗無窮大，自然沒電流，也相當于開路，或者斷路。但是在應用的時候，往往跟完全斷路不同，因為運放還會感應輸入端的電壓，所以也不是真的斷路，為此稱之為"虛斷"。

虛斷跟把運放接成什么電路沒關系，只要是運放基本都可以用虛斷來分析（實際運放輸入端還是有電流的，只是很微弱，若外部電阻實在太大的話，導致電阻電流接近或超過運放的輸入端微型電流，虛斷可能會失效）。

相對于虛斷的的基本無門檻應用，運放的虛短可能相對復雜些。

3.虛短

虛短使用需要有兩個條件：

1）電路為負反饋電路；

2）運放工作在放大區；

首先理解下虛短的概念，虛短意思就是同相端和反相端的電壓一樣，跟短路一樣。

假設剛開始時，各處的電壓都為0 ，突然給u1端加一個電壓2.5V，因uo一開始為0V，根據虛斷分析，那u-沒有電流流入放大器，所以u-為uo在R1，R2上的分壓，依然為0；

當u+瞬間為2.5V后，u-為0V，u+>u-,放大器會朝著電壓增大的方向放大，即uo電壓會開始升高。

當uo增大到1V時，u-依然為uo在R1，R2上的分壓，即為0.5V，此時u+=2.5V，u+>u-,放大器將電壓繼續正向放大，因此uo繼續增大。

那么uo增大到啥時候才不再增大了，我們先從理想運放來看，放大倍數無窮大的話，uo就會增大，即滿足uo=Au*(u+-u-)。

只有當uo增大到5V時，u-電壓為uo在R1，R2上的分壓正好為2.5V，即u+=u-，此時放大器到達平衡，不在放大，也就是穩態。

為啥一定得u-=u+,不能u- >u+嗎？我們假設萬一uo>5V,則u- >u+，此時放大器的會將輸出電壓反向放大，也就是減小，最終電壓還是像5V靠近。因此不論電路初始狀態電壓怎么樣，最終輸出都會穩定在5V，且u+=u-，因為一旦u+≠u-，那么在無窮大的放大倍數下，輸出必然會變化，最終還是會u+=u-。

u+不等于u-，輸出就會變化，這個變化又會被送回到輸入端，導致u+和u-的差值變小，也意味著輸入信號變小。這不就是負反饋嗎？對于上面這個負反饋電路也是最終結果是u+=u-。

若調換u+和u-，如下圖：

同樣的給其加2.5V電壓，因為uo最初是0V，那么u+也是0V，即u+

以前面負反饋的例子繼續分析，當輸入2.5V時，輸出就是5V了，但是假如只有3.3V供電呢？

顯然輸出不能超過5V，此時放大器已經工作在飽和區，頂天放大器只能放大到3.3V，因此輸出最終達不到5V，那u-自然道不了2.5V，即u+不等于u-,也不滿足虛短的條件。所以說虛短必須要放大器工作在放大區。

總結：

理想運放特點：

增益無窮大；

輸入阻抗無窮大；

輸出阻抗為零；

虛斷的使用條件：

基本無門檻(運放的輸入阻抗非常大)；

虛短使用的條件：

負反饋；

工作在線性放大區；