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[FAQ] [参考译文] [常见问题解答]理想放大器基础知识:如果运算放大器输入几乎短路、那么 aren't 它们完全相同?

Guru**** 1074580 points
Other Parts Discussed in Thread: OPA810
请注意,本文内容源自机器翻译,可能存在语法或其它翻译错误,仅供参考。如需获取准确内容,请参阅链接中的英语原文或自行翻译。

https://e2e.ti.com/support/amplifiers-group/amplifiers/f/amplifiers-forum/1165844/faq-ideal-amplifier-basics-if-op-amp-inputs-are-virtually-shorted-then-aren-t-they-exactly-the-same

主题中讨论的其他器件:OPA810

作为电气工程师、我们大多数学生都被教导要使用理想属性来分析运算放大器、例如无限输入阻抗、零输入电流、无限开环增益等。 但是,如果在对设备行为缺乏直观理解的情况下依赖此理想模型,可能会导致错误步骤,特别是在模拟器无法捕捉到该模型或数学运算结果不正确的情况下。 让我们特别考虑一个理想特性:输入之间的虚拟短路。

 

这种‘虚拟短路’是一种描述放大器保持输入电压相同的趋势的方法。 此行为的实际机制是、放大器检查输入电压差异并调节其输出、直到输入之间的差异为零。 这种能力取决于是否存在反馈、为了使输入对齐、输出必须改变的量由闭环的反馈比或增益决定。 让我们在真实电路中研究一下这一点。

例如、您需要将高阻抗信号转换为低阻抗信号、或许可以使用合理的电容将传感器电压测量驱动在一段电缆长度下。 在这种情况下,您不想更改振幅,只需要一份具有更高驱动能力的信号副本。 根据理想模型、您可能会遇到如下所示的电路:

看起来不错、对吧? 我们已将输出直接连接到未使用的输入、因此放大器应调整输出以直接匹配输入的变化、从而使反馈比为1:1、并生成信号的完美副本。 好的,让我们做我们的尽职调查,使用 SPICE 中的理想运算放大器和1Vpp 10kHz 方波模拟我们的测量缓冲器。

使用理想的放大器似乎可以正常工作,因此让我们再进一步,使用我们最喜欢的高速放大器 OPA810进行仿真。

 

在这里、我们最终开始看到该电路的问题。 放大器已连接到负电源、我们的测量数据不再通过缓冲器。 这是对该电路实际行为的更准确的表示、如果我们仔细观察、我们可以直观地确定这是合理的原因。 请注意、我们将信号放置到了哪个输入中、放大器的反相输入。 该输入将在输出端产生信号的反相副本。

由于输出直接连接到同相输入、因此该反相副本是放大器现在将与原始信号进行比较的信号。

当放大器获取这些输入电压的差值时、它会减去负反馈或相加、我们称之为正反馈。 随着输入信号电压的增加、输出信号会降低、放大器开始增大两者之间的差值。 这会产生失控情况、放大器轨输出到负电源。 让我们改为尝试将信号置于打开状态
非反相输入、然后再看看我们的直观分析。

 

这看起来要好得多。 随着输入电压升高、输出会产生相同的变化。 这将保持输入对齐、并且缓冲器按预期工作。 但为什么理想的 SPICE 模型无法捕捉到该误差呢? ‘,事实证明,理想短路’条件是我们错误的根源,它存在于理想 SPICE 模型中,在该模型中,假设输入之间的差异为零。 然后、输入被设置为相等、并且差分方程的极性或符号丢失。 请查看此主题的 SPICE 仿真器资源文档中的以下摘录:

理想运算放大器 TINA 和 TINACloud

分析方法

我们使用两个重要的理想运算放大器属性来分析电路:

  •  v+ 和  v–之间的电压 为零、或  v+ = v
  • 流入  v+ 和  v 端子的电流为零。

通过这些简单的观察、可以按照以下步骤分析任何理想运算放大器电路:

  • 在同相端子  v+上写下基尔霍夫电流定律节点方程
  • 在反相端子  v–处写下基尔霍夫电流定律节点方程
  • 设置  v+ = v 并求解所需的闭环增益。

在同一节中,您还会发现,此简化的数学推导基于“开环增益无限的含义”或 G 接近无穷大的限制。 将输入设置为相等不仅简化了数学模型、还缓解了当您要求数字工具处理零和无穷大时可能出现的一些问题。

但是、非理想模型需要考虑输入偏移误差和有限环路增益等非理想现象、因此它们不会有这种简化的奢侈。 这就是实际器件仿真捕获我们的正反馈条件的原因。 现在,让我们根据我们的直观理解检查我们的已更正缓冲电路,看看它是否会保持不变。

现在、我们可以更加确信我们的单位增益缓冲器将起作用。 我们还对运算放大器行为有了更直观的了解、并对仿真工具的局限性有了充分的了解。

作者:Samuel Burnet