问题

当运放能虚短Un=Up时,输入级差分放大电路(都共射接法)的Ub1,Ub2是对应着也相等吗?

回答
在理解运放的虚短特性和输入级差分放大电路的Ub1、Ub2关系时,我们需要一层一层地剥开这个概念。

首先,让我们明确“虚短”是怎么一回事。运放,特别是理想的差分输入运放,其核心的“虚短”特性源自于其极高的开环增益。想象一下,运放的两个输入端(同相输入端 Up 和反相输入端 Un)就像是放在一个天平的两端。这个天平的设计极其敏感,哪怕只有极微小的重量差异(电压差异),都会导致天平(输出电压)产生巨大的倾斜(输出电压朝正电源或负电源饱和)。

运放的工作原理,特别是其负反馈回路,正是利用了这种极高的灵敏度来维持一个稳定的工作点。当运放连接到负反馈回路中时,输出端会根据输入端之间的微小电压差进行调整。这个调整的方向是:只要输入端存在电压差,输出就会向着减小这个电压差的方向调整。

举个例子,如果 Up 高于 Un,输出电压会升高。但因为有负反馈,这个升高的输出电压又会通过反馈网络作用到 Un 端,使得 Un 的电压也跟着升高。这个过程会一直持续,直到 Up 和 Un 之间的电压差趋近于零。

所以,“虚短”并非真的将两个输入端短接,而是说:在负反馈作用下,为了维持运放的正常工作(不饱和),运放的两个输入端(Up 和 Un)的电压会被强制拉到几乎相等。这个“几乎相等”可以近似看作是“相等”,这就是我们所说的虚短。

现在,我们来看输入级差分放大电路,它通常采用共射接法。一个典型的差分放大器输入级,是由两个差分的共射放大器组成的,它们的集电极连接到负载,发射极则连接到同一个恒流源(或者一个电流镜)。

差分放大器的目的是放大两个输入信号之间的“差值”,并抑制两个输入信号的“共模”成分。

Ub1 和 Ub2:在这里,Ub1 和 Ub2 通常指的是这两个差分输入对的基极电压。在标准的差分放大器结构中,输入信号就是施加到这两个基极上的。

那么,当运放(整体)满足虚短条件时,输入级这两个基极的电压 Ub1 和 Ub2 之间是什么关系呢?

答案是:Ub1 和 Ub2 并不总是相等的,它们是否相等取决于输入信号本身。

让我来详细解释一下:

1. 虚短是运放输出端的反馈作用结果,而不是输入端本身必须相等。 运放的虚短是发生在它的两个输入端(Up 和 Un)之间的。在输入级差分放大电路中,Ub1 和 Ub2 就是直接施加到这两个输入端(Up 和 Un)上的信号。

2. Ub1 和 Ub2 的关系,直接决定了输入信号的性质。
差模输入: 如果我们施加的是一个差模信号,比如 $V_{id} = V_{u1} V_{u2}$,那么 $V_{u1} eq V_{u2}$。这时,Ub1 和 Ub2 就是不相等的。正是这两个不相等的电压差,驱动了差分放大器。
共模输入: 如果我们施加的是一个共模信号,比如 $V_{ic} = (V_{u1} + V_{u2})/2$,且 $V_{u1} = V_{u2}$,那么 Ub1 就等于 Ub2。

3. 运放作为整体的虚短,是在其输出端通过反馈回路实现的。 输入级差分放大器本身,如果作为运放的一个独立单元,其虚短的含义也是指其两个输入端(这里就是 Ub1 和 Ub2)的电压被其自身的输出端通过反馈回路强制拉近。

为什么会产生误解?

很多人可能会混淆“运放虚短”和“理想差分放大器输入端电压相等”。

理想运放的虚短 Up = Un:这是在负反馈条件下,运放输出端为了维持一个稳定工作点(不饱和)而“努力”达到的结果。
差分放大器的输入 Ub1, Ub2:Ub1 和 Ub2 是输入信号。它们是否相等,完全取决于我们输入什么信号。

举个具体的例子:

假设我们有一个运放,它的输入端连接到了一个差分放大器的输出。

场景一: 我们给差分放大器输入一个差模信号,比如 $V_{in1} = 1V, V_{in2} = 0V$。那么 Ub1 = 1V, Ub2 = 0V。这时,Ub1 和 Ub2 显然不相等。差分放大器会放大这个差值。
场景二: 我们给差分放大器输入一个共模信号,比如 $V_{in1} = 1V, V_{in2} = 1V$。那么 Ub1 = 1V, Ub2 = 1V。这时,Ub1 和 Ub2 相等。理想的差分放大器会抑制这个共模信号,输出接近于零(或者非常小)。

关键点总结:

1. 虚短 (Up = Un) 是运放(尤其是带负反馈的运放)内部为了维持稳定工作而产生的结果。
2. Ub1 和 Ub2 是输入级差分放大器的输入信号。
3. Ub1 和 Ub2 是否相等,取决于你施加给它们的输入信号是差模信号还是共模信号。
4. 运放的虚短特性(Up = Un)并不是要求输入信号 Ub1 和 Ub2 必须相等。 相反,正是当 Ub1 和 Ub2 不相等时(差模输入),运放的虚短特性才会被利用起来,通过负反馈放大这个差值。

所以,笼统地说“运放能虚短Un=Up时,输入级差分放大电路的Ub1,Ub2是对应着也相等吗?” 是不准确的。Ub1 和 Ub2 是否相等,完全取决于外部输入给它们的是什么信号。运放的虚短特性是为了处理这两个输入端(Up 和 Un)之间的任何电压差,并将这种差值放大(或抑制共模部分)。

网友意见

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无论是集成运放的差分输入级,还是你自己搭建的差分输入电路,其虚短特性都不是差分对自带属性,而是整体电路中High gain negative feedback loop settling 之后的结果。

直观来说,你的电路要设计出这样的效果:

1,当差分输入对存在差模输入(即Ub1!=Ub2)时,电路要感知到这个差模信号

2,电路需要把这个信号放大,放大很多很多倍

3,电路需要把放大之后的信号反向叠加到差分输入对原来的输入信号上。

同时做到1,2,3的话,你就会看到电路充分建立之后差分输入对的差模输入会稳定在一个非常小的值,即“虚短”状态。

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