关于I-V转化电路中运放的虚短虚断

　　什么是虚断

　　虚断指在理想情况下，流入集成运算放大器输入端电流为零。为了简化包含有运算放大器的电子电路，总是假设运算放大器是理想的，这样就有了“虚断”的概念。这是由于理想运算放大器的输入电阻无限大，流入运放的电流很小，相当于开路。但事实上并没有开路，称为“虚断”。

　　什么是虚短

　　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。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。虚短用来的出电压相等，虚短用来得出无电流流经。

　　经典运放电路

　　图一运放的同向端接地=0V，反向端和同向端虚短，所以也是0V，反向输入端输入电阻很高，虚断，几 乎没有电流注入和流出，那么R1和R2相当于是串联的，流过一个串联电路中的每一只组件的电流是相同的，即流过R1的电流和流过R2的电流是相同的。流过 R1的电流I1 = （Vi - V-）/R1 ……a 流过R2的电流I2 = （V- - Vout）/R2 ……b V- = V+ = 0 ……c I1 = I2 ……d 求解上面的初中代数方程得Vout = （-R2/R1）*Vi 这就是传说中的反向放大器的输入输出关系式了。

　　图二中Vi与V-虚短，则 Vi = V- ……a 因为虚断，反向输入端没有电流输入输出，通过R1和R2 的电流相等，设此电流为I，由欧姆定律得： I = Vout/（R1+R2） ……b Vi等于R2上的分压， 即：Vi = I*R2 ……c 由abc式得Vout=Vi*（R1+R2）/R2 这就是传说中的同向放大器的公式了。

　　图三中，由虚短知： V- = V+ = 0 ……a 由虚断及基尔霍夫定律知，通过R2与R1的电流之和等于通过R3的电流，故 （V1 – V-）/R1 + （V2 – V-）/R2 = （Vout – V-）/R3 ……b 代入a式，b式变为V1/R1 + V2/R2 = Vout/R3 如果取R1=R2=R3，则上式变为Vout=V1+V2，这就是传说中的反向加法器了。

　　请看图四。因为虚断，运放同向端没有电流流过，则流过R1和R2的电流相等，同理流过R4和R3的电 流也相等。故 （V1 – V+）/R1 = （V+ - V2）/R2 ……a （Vout – V-）/R3 = V-/R4 ……b 由虚短知： V+ = V- ……c 如果R1=R2，R3=R4，则由以上式子可以推导出 V+ = （V1 + V2）/2 V- = Vout/2 故 Vout = V1 + V2 也是一个加法器。

　　图五由虚断知，通过R1的电流等于通过R2的电流，同理通过R4的电流等于R3的电流，故有 （V2 – V+）/R1 = V+/R2 ……a （V1 – V-）/R4 = （V- - Vout）/R3 ……b 如果R1=R2， 则V+ = V2/2 ……c 如果R3=R4， 则V- = （Vout + V1）/2 ……d 由虚短知 V+ = V- ……e 所以 Vout=V2-V1 这就是传说中的减法器了。

　　图六电路中，由虚短知，反向输入端的电压与同向端相等，由虚断知，通过R1的电流与通过C1的电流相 等。通过R1的电流 i=V1/R1 通过C1的电流i=C*dUc/dt=-C*dVout/dt 所以 Vout=（（-1/（R1*C1））∫V1dt 输出电压与输入电压对时间的积分成正比，这就是传说中的积分电路了。若V1为恒定电压U，则上式变换为Vout = -U*t/（R1*C1） t 是时间，则Vout输出电压是一条从0至负电源电压按时间变化的直线。

　　图七中由虚断知，通过电容C1和电阻R2的电流是相等的，由虚短知，运放同向端与反向端电压是相等 的。则： Vout = -i * R2 = -（R2*C1）dV1/dt 这是一个微分电路。如果V1是一个突然加入的直流电压，则输出Vout对应一个方向与V1相反的脉冲。

　　图八由虚短知 Vx = V1 ……a Vy = V2 ……b 由虚断知，运放输入端没有电流流过，则R1、R2、R3可视为串联，通过每一个电阻的电流是相同的， 电流I=（Vx-Vy）/R2 ……c 则： Vo1-Vo2=I*（R1+R2+R3） = （Vx-Vy）（R1+R2+R3）/R2 ……d 由虚断知，流过R6与流过R7的电流相等，若R6=R7， 则Vw = Vo2/2 ……e 同理若R4=R5，则Vout – Vu = Vu – Vo1，故Vu = （Vout+Vo1）/2 ……f 由虚短知，Vu = Vw ……g 由efg得 Vout = Vo2 – Vo1 ……h 由dh得 Vout = （Vy –Vx）（R1+R2+R3）/R2 上式中（R1+R2+R3）/R2是定值，此值确定了差值（Vy –Vx）的放大倍数。这个电路就是传说中的差分放大电路了。

　　关于I-V转化电路中运放的虚短虚断

　　如图用multisim仿真一个I-V转换电路。电压是两点之间的电位差。不指明时说电压是指对地（零电位）的电压。理想运放输出是 1uA*100kohm =0.1V=100mV 。

　　一般情况下，运放的输出电压范围不可能超过电源电压的范围（部分轨到轨运放除外），你的运放供电是0~+5V，因此不可能产生负电压的输出；另外，虚短成立的前提是运放的开环增益无穷大，但实际上是不可能的，所以输出会存在一定的偏差，另外，运放自身的失调也会引起输出误差。