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放大器虚短和虚断,真的如此精妙吗

时间:2024-06-01



放大器可以说是模拟电路中至关重要的模块,在偏置电压的产生,信号放大,模拟信号的各种运算,滤波,相位锁定,模数转换等等诸多环节中都有着广泛的应用。

甚至有人这样说,学习模拟电路,核心的一条就是学好放大器。
理想放大器三个特点
在学习模拟电子电路时,我们是把放大器当作黑盒子处理的。
假设放大器有着极大的输入阻抗,同时又有着极小的输出阻抗,放大倍数无穷大。
极大的输入阻抗,对应着当把电压加在上面时,对应的电流是极小的,甚至可以忽略不计。一般的信号的阻抗相比它的阻抗来说,都很小,所以当信号加在它上面的时候,电压不会发生变化。
而我们知道,常用的跨导放大器输入是晶体管的栅端,跟源极或漏极阻抗,确切来说是电阻,可视作无穷大,这样就表现出了很好的高输入阻抗特性。
虚断
放大器如此高的输入阻抗,从外面看进去,它不吸收或者释放任何的电荷,也就形不成电流。
这时候我们想到哪种电路呢?
断路!断路是断然不会有电荷通过的。而实际上电路并没有断开,所以称之为“虚断”。
这里的虚断有两层含义。一者它是针对输入端和内部而言的,而后面的虚短,针对的是两个输入端来说的,这是二者一个显著的区别。
再者虚在这里可以理解为等效的意思,即没有电流流过,等效于断路,而实际没有断开,所以它是假断路。
这里是基于电流来看的,而后文的虚短,则是针对电位来说的。
虚短
放大器另一个特性是放大倍数无穷大。这个特性很重要,直接决定着放大器的另一个精髓,虚短。
下面我们用不严谨的大白话推一下。
当放大器两个输入端加上信号后,信号不一致时,差异就会被放大。因为放大倍数无穷大,所以即使有微小的差异,在输出表现出来的就是一端为地,一端为电源电压,这时候它表现出来的是比较器特性。
所以有人说开环的放大器就是比较器。
大多数时候,放大器是放在闭环结构中来体现它的价值的。当在闭环结构中,同样在输入端加上信号,信号有微小的差异时,输出端就会表现出大的差异。
而我们的想法,是通过反馈电路,将输出与输入联系。输出已经表现出大的差异了,所以这时候必须是负反馈,而不能是正反馈。因为假设是正反馈,那么完蛋了,输出又被拉到极端的地和电源了,这是响应速度更快的比较器的设计,而不是放大器的设计。
负反馈就不一样了,输出端放大了的差异,经过反馈后,它有着降低这个差异趋势的特性,即尽量阻碍输入信号的变化。
经过一段时间的动态的调整,输入端电压差异就会趋于零,因为输出是输入的放大,输出差异也就慢慢趋于零,这一个调整阶段就差不多完成了。
当然,实际工作中电路无时无刻不在调整,调整的终极目的,就是通过负反馈,让电路稳定。这里的稳定,指的是是输出不能因为放大器放大倍数大,就被拉到地和电源,即使放大器放大倍数无穷大也不行。
而这么大的放大倍数,又不能将输出的电压拉到极端,势必要求输入信号的差异极小,多小算极小呢,这个由放大器的开环放大倍数决定。
所以你会看到放大器的设计,总会使出浑身解数提升放大器倍数,譬如套筒式放大器,多级放大器,增益提升型放大器等等,初衷都是提升放大器倍数。
因为只有放大倍数足够大,输入信号的差异才会尽量小,进而保证放大器接近理想的状态。
放大器越理想,输入信号的差异越小,小到一定程度了,波形上肉眼已经分辨不出它们的差异了。
这时候你想到了什么?
对!短路!
短路的两端,信号电压必然相等,它们亲密到已经由两端变成一端了......
而仔细一推敲,放大器输入的两端好像并没有完全相等……只是它们的差异足够小而已。
所以不能简单的说它们短路!
没错,恭喜你,答对了,说它们短路是不对的,那叫什么呢?
就叫“虚短”吧。
它也可以像虚断那样,从三个角度理解。
一者它是针对两个输入端来说的,而不是内外部。
再者,它是针对电位而言的,看上去电位相等,所以有点短路的意思。
第三,拆开字来看,虚这个字,即假的意思,就是它并没有真正的用导线连接在一起。没有连接在一起,就不会有电荷的交换,形不成电流,这要尤其注意。
而放大器极小的输出电阻,初衷可能是把它作为一个电压源处理,给后续电路提供电压,本身的输出阻抗当然就不能大了。
深刻理解了虚短虚断这两点,我们再去看以运放为核心设计的电路,或许会感觉简单了不少。
譬如同向比例,反相比例,跟随器,积分器,微分器等等模拟运算电路,无一不是闭环工作,无一不是要求放大器放大倍数尽量大等等,核心都囊括在我们上述所说的两个精髓中。
以上是个人对虚短和虚断的简单的理解,不足之处还望指正。