作者：Rajeswari

運算放大器是模擬電子設計的主力。自遠古以來，這些不起眼的設備被用于從簡單的電壓跟隨器到復雜的逆變器設計。在 CircuitDigest，我們已經討論了各種運算放大器電路及其應用。今天，我們將研究另一個與運算放大器相關的有趣概念，稱為虛擬接地和虛擬短路。那么，讓我們深入研究一下。

什么是虛擬接地和虛擬短路？

在進入細節之前，讓我們看一下下面給出的數字。在圖（a）中，VA = VB 處的電壓，這是因為 VA 和 VB 點之間存在短路。在圖（b）中，VA 和 VB 之間沒有連接（短路）。但是，VB = VA 處的電壓仍然沒有與任何其他源連接，這意味著 VA 和 VB 之間應該存在虛擬連接，或者由于某些其他虛擬效應，VB 等于 VA。這是一種通常稱為“虛擬短路”的效應。

同樣，在圖 （c） 中，即使 VA 連接到 5V 源，但由于某些影響，如果 VA= VB = 0V （Gnd_PotenTIal） 意味著這種影響將被稱為“虛擬接地”。

上面提到的細節可能看起來很神奇或不切實際。但是，基本的運算放大器操作遵循上述兩個概念，理解其背后的原因將有助于理解完整的運算放大器物理。

基本運算放大器工作規則：

基本運算放大器的工作機制主要遵循以下兩個重要規則

運算放大器的同相輸入和反相輸入處的電壓始終應相等。內部運算放大器設計和輸出反饋電阻總是傾向于使它們相等，以保持穩定的運算放大器運行。

根據運算放大器的特性，運算放大器具有較高的輸入阻抗和較低的輸出阻抗。因此，對于理想的運算放大器操作，流經運算放大器輸入端子的電流假定為“零”。

運算放大器中的虛擬短路

下面的電路是著名的非反相運算放大器拓撲，它具有 1V 輸入和 R1 = R2 = 1KΩ 的增益電阻。它有一些定義的方程，以便找到輸入和輸出電壓關系之間的關系。我們可以應用基本運算放大器規則來查找輸出電壓，而不是使用那些定義的公式。

根據規則 - 1，反相輸入 （-） 電壓應等于同相 （+） 輸入電壓，對于給定電路，V_Non_InverTIng = 1V。與同相 （+） 引腳一樣，反相引腳 （-） 未連接到任何專用電壓源，只有運算放大器 VOUT 可以使反相 （-） 端電壓為 1V。

因此，一旦運算放大器“上電”，運算放大器的內部參數就會工作以使反相輸入電壓等于 1V，并且按照規則，沒有電流流過反相引腳。由于 R1 和 R2 成為以 VOUT 作為源電壓的分壓器，分壓器輸出應等于同相輸入電壓。

輸出電壓從其先前狀態變為更高或更低的電壓電平，以使 V（+） = V（-）。在這里，由于 R1=R2 并且兩者都構成分壓器組合，并且 VOUT = 2V 使得 （V+） = V（-）。

基于以下同相運算放大器增益方程：

因此，對于同相運算放大器，反相引腳電壓等于同相電壓，而兩個端子之間沒有直接短路，并且兩個端子上的相等電壓通過 Virtual Concept 發生，這種效應稱為“虛擬短路”運算放大器”。

運算放大器中的虛擬接地概念

通過在下面的反相運算放大器配置中應用規則 1 和 2，反相引腳處的電壓應為零。但是，反相引腳（-） 通過 R1 連接到 5V 電源。根據規則 2，沒有電流流過反相 （-） 輸入，所有電流都流過 R1 和 R2。為了使 V（-） = 0，VOUT 必須提供補償電壓。

在給定的電路中，正 5V 通過 1K 電阻器提供給反相端，為了使反相端電壓 = 0，VOUT 應為 -5V（由于 R2 = 1K）。如果修改了 R2 的值，則運放內部結構也應修改 VOUT，使 V（In-） = 0。

對于反相運算放大器配置 =》 V1/R1 = -VOUT/R2

在此反相輸入配置中，反相輸入總是在“地電位”處提及（由于非反相輸入地電位），由于運算放大器的內部功能，它沒有與地直接連接。即使反相輸入由 5V 電源供電，反相端電壓也等于“Gnd”，這就是將其稱為“虛擬接地”或“虛擬接地”的原因。

運算放大器中虛擬接地和虛擬短路的重要性

虛擬接地和虛擬短路是用于檢查任何運算放大器電路的兩個重要參數。大多數運算放大器電路推導和傳遞函數都是基于這兩個概念制定的，并且在不考慮運算放大器的輸入參數的情況下使電路分析更簡單。

虛擬接地和虛擬短路概念僅適用于“閉環”運算放大器電路。在開環或用作比較器的運算放大器中，沒有反饋機制來控制反相和同相輸入電壓之間的匹配。因此，運算放大器始終在飽和模式和虛擬接地下運行，虛擬短概念不起作用。在這些類型的條件下，設計人員應查看“差分輸入”電壓限制，以避免運算放大器發生故障。

在某些閉環條件下，當輸出匹配限制超過運算放大器 Vcc 和 Vee 電源范圍時，虛擬接地和虛擬短路概念也將失效。

虛擬接地和虛擬短路空洞條件示例