全面解析运算放大器中的虚短与虚断

在模拟电路中，虚短和虚断是两个重要的概念，它们通常与运放电路有关。这两个术语描述了运放电路中的一些重要现象，认识它们对于电子工程师和电路设计师来说至关重要。本文将深入探讨虚短和虚断的含义，以及它们在电子电路中的应用。

在实际应用中，运放电路广泛存在于许多领域。然而，运放电路的应用远不止于同相放大和反向放大，其在实际设计与应用中展现出极高的灵活性。为了深入理解和分析运放电路，我们需要紧扣两大核心概念——“虚短”与“虚断”。接下来，本文将结合网络资源与个人理解，为大家详细阐述运放电路的基本分析方法。

由于运放的电压放大倍数很大，一般通用型运算放大器的开环电压放大倍数都在80 dB以上。 而运放的输出电压是有限的，一般在 10 V～14 V。因此运放的差模输入电压不足1 mV，两输入端近似等 电位，相当于 “短路”。开环电压放大倍数越大，两输入端的电位越接近相等。

“虚短”是指在分析运算放大器处于线性状态时，可把两输入端视为等电位，这一特性称为虚假短路，简称虚短。因此，显然不能将两输入端真正短路。

由于运放的差模输入电阻很大，一般通用型运算放大器的输入电阻都在1MΩ以上。因此流入运放输入端的电 流往往不足1uA，远小于输入端外电路的电流。故通常可把运放的两输入端视为开路，且输入电阻越大，两输入端越接近开路。

“ 虚断”是指在分析运放电路工作原理时，首先请各位暂时忘掉什么同向放大、反向放大，什么加法器、减法器，什么差分输入……暂时不管那些输入输出关系的公式……这些概念只会干扰你，让人更糊涂﹔也暂时不要理会输入偏置电流、共模抑制比、失调电压等电路参数，这是设计者要考虑的事情。我们理解的就是理想放大器(大多数设计过程中，把实际放大器当做理想放大器来分析也不会有问题)。

接下来，我们将结合“虚短”与“虚断”的概念，深入探讨运放电路的分析方法。

首先，要理解“虚短”现象。由于运放的电压放大倍数极大，通常通用型运算放大器的开环电压放大倍数都在80dB以上，而其输出电压却有限，一般在10V至14V之间。这使得运放的差模输入电压非常小，通常不足1mV，导致两输入端近乎等电位，仿佛“短路”一般。但实际上，这并非真正的短路，而是在分析时可以将其视为等电位，即“虚假短路”，简称“虚短”。

同样地，由于运放的差模输入电阻极大，通常通用型运算放大器的输入电阻都在1MΩ以上，使得流入输入端的电流非常小，通常不足1uA，远小于输入端外电路的电流。因此，在分析时，我们可以把运放的两输入端视为开路，即“虚假开路”，简称“虚断”。但需注意，这并非真正的断路。

掌握好“虚短”与“虚断”这两大概念后，我们就可以进一步分析各种运放电路了。例如，反向放大电路就是其中一种重要的应用场景。

图一展示了运放的一种典型配置，其中同向端接地，电压为0V。由于反向端与同向端存在“虚短”现象，因此其电压也近似为0V。同时，反向输入端的“虚断”特性使得几乎没有电流流入或流出。在这样的情况下，R1和R2可以视为串联连接。根据串联电路的特性，流过R1和R2的电流是相等的。利用这一关系，我们可以推导出流过R1的电流I1和流过R2的电流I2的表达式。进一步结合已知条件，如V-和V+都等于0V，以及I1等于I2，我们可以求解出Vout与Vi之间的关系，即Vout = (-R2/R1)*Vi。这正是反向放大器的输入输出关系式。

一、什么是虚断?

理想运放的输入阻抗是无穷大，真实的运放输入阻抗虽然不是无穷大但也是在兆欧姆或更高的范围内。我们如果给运放的输入端加一个电压然后串一个电流表去测量他的电流就会发现电流读数接近于0，说明没有电流流进运放就好像运放输入的内部是断开的，但是内部实际上是连接的，这种似断非断的现象我们称为虚断。

由于需要虚断是由运放特性造成的，运放在任何电路中都有虚断这种概念。虚断不是真正地断开，而是流过的电流小到可以忽略。

运放的虚短是指反向输入端和同向输入端电压相等，好像两个输入端连在一起，但事实上并没有短接，称为虚短。

运放在以下两种情况处于虚短状态：

①运放在开环处于线性区的时候

运放的线性区是非常窄的如下图红色部分，也就是输入差模电压很小。运放在线性区我们的输出电压是等于Aod乘以输入差模电压，Aod是运放开环放大倍数，通常Aod非常高，可达几十万倍。假设VCC为10V，VEE为-10V，可以计算出up-un的差模电压在-100uv到100uv，这个电压非常小可以忽略不计，可以认为up=un，同向端和反向端是短路的，这种现象称为虚短。

运放在深度负反馈状态下出现“虚短”现象的原因主要是由于负反馈的作用。在负反馈中，运放的输出信号的一部分被取出并反馈到输入端。这种反馈作用使得运放的两个输入端(正输入和负输入)的电压差趋近于零，也就是说，两个输入端的电压几乎相等。因为尽管运放的两个输入端在电气上并没有被直接短路(实际上，运放的输入阻抗非常高，可以近似为无穷大)，但由于负反馈的作用，两个输入端的电压却几乎相等，就好像它们被短路了一样。

◉ 检测方法

通过测量输出端与反向输入端之间的阻值来判断运放作用。使用万用表测量输出端与反向输入端之间的阻值，如果阻值异常大，例如超过几兆欧，那么很可能运放被用作比较器。而如果阻值较小(在0欧至几十千欧之间)，则需进一步检查是否有电阻连接在输出端和反向输入端之间，以确定运放是否被用作放大器。

04反馈设计与增益◉ 反馈网络作用

反馈网络通过负反馈调节，抑制运放大过载。运算放大器的增益极高，若没有负反馈的调节，即便是微小的输入信号也可能导致其直接进入饱和状态。

◉ 增益情况

由于运算放大器的增益远大于反馈网络，因此我们可以得到上述的等效电路。运放增益和反馈网络增益形成了一种等效电路，有助于理解增益调节。这种设计能够确保运算放大器稳定地工作在放大区域。