集成运放电路虚短、虚断与实短、实断之关系比较研究

楚雄师范学院物理与电子科学学院 杨本涛 刘 鹏 杨崔荣 王昆林

集成运放电路虚短、虚断与实短、实断之关系比较研究

楚雄师范学院物理与电子科学学院 杨本涛 刘 鹏 杨崔荣 王昆林

本文论述了在运算放大电路中，虚短、虚断和实短、实断的区别和联系，并通过实验测试阐明了电路分别在虚短、虚断和实短、实断状态下的工作情况，实际证明了在理论上虚短、虚断借用了实短、实断的概念，运放电路在实际的正常工作中虚短、虚断和实短、实断是有着本质上区别的。

集成运放电路；虚短、虚断；实短、实断；负反馈电路

1 问题的提出

集成运放放大电路是一种高电压放大倍数、高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路,因其最初多用于模拟信号的运算,所以称之为集成运算放大电路,简称集成运放。随着集成电路技术的不断发展,集成运放的性能不断改善,种类也越来越多,现在集成运放的应用远远超出了信号的范围,在电子技术的许多领域都有广泛的应用。

在使用运放时设计电路均将实际运放视为理想运放,采用了虚短、虚断的概念进行计算。电路如图1所示,N点电位为uN,P点电位为up。运放反相输入端的电流iN,同相输入端电流ip。所谓虚短、虚断,即uN=up、iN=iP=0。根据这一原理由图1,则有:

图1 运放电路图

这就是典型的反比例放大电路。式(1)中负号“-”表示输出电压u0的相位与输入电压ui的相位相反,即“反相”。反相比例放大电路的电压放大倍数仅仅取决于反馈电阻RF与输入电阻R1之比,即:

与运放内部电路无关。而实际上整个电路工作起来与运放电路内部是有关的。所谓虚短、虚断和实际的短路和断路,即与实短、实断是有区别的,实短是真正的短路,即N点电位与P点电位严格相等,也就是将N点与P点严格短路,同相输入端、反相输入端的电位差严格为0,如图2所示。

图2 实短电路图

实断是真正的断路,同相输入端、反相输入端的输入电流严格为0。如图3所示。

图3 实断电路图

在理论计算中虚短、虚断使用了实短、实断的基本概念,实际电路中的电参量的大小也与理论计算中的基本是一致的,但虚短、虚断与实短、实断是有区别的,为了彻底搞清其中的区别和联系,特别设计实验研究电路,进行实验研究。

2 虚短和实短电路研究

虚短电路如图4所示,实短电路如图2所示将N、P两点直接相连。

表2 虚断、实断实验数据表

图4 虚短电路图

在对虚短电路的研究中,按虚短电路图4对各元器件进行连接,以信号发生器为信号源,由ui端输入正弦信号,u0端输出也是正弦信号。ui端、u0端分别接入双踪示波器,观察其信号的波形。将电路调试正常,调节输入信号ui的大小,且保证输出信号u0波形不失真。用交流毫伏表分别测出N点电位、P点电位及输出端u0的电压,逐渐增大输入信号ui得到不失真的输出信号u0见实验数据表1。

对实短电路的研究,如实短电路图2所示,将N、P两点直接相连,用交流毫伏表分别测量P点和输出端u0的电压;将芯片移除后再用交流毫伏表测输出电压,数据如表1所示:

表1 虚短、实短实验数据表

由数据表1中数据可看出在虚短的情况下,实际上uN、up两点电位差值uN-uP在0.40mv—2.60mv之间,电路正常工作,整个电路之间的放大倍数保持在9.47—10.30倍,当实短时uN严格等于up,电路已不正常工作,无放大能力,输出电压u0实际上是通过反馈电路RF由输入端直通到了输出端,运放已彻底不起作用,将芯片移除后,输出电压随输入电压增大而增大。

由上述可知,虚短电路中uN、up两点电压并不能相等,且电压差值要在0.40mv—2.60mv之间,电路才能正常工作。实际若将uN、up两点连接即实短uN=up,运放芯片无输入没有工作,若此时将运放芯片移走,输出端与输入端就只由反馈电路RF相连,输出端点电压u0小于输入端电压ui,且u0随ui的变动而变动。

3 虚断和实断电路研究

虚断电路如图5所示,实断电路如图3所示,将N、P两点与芯片的连接直接断开。

图5 虚断电路图

在对虚断电路的研究中,按虚断电路图5对各元器件进行连接,以信号发生器为信号源,由ui端输入正弦信号, u0端输出也是正弦信号。ui端、u0端分别接入双踪示波器,观察其信号的波形。将电路调试正常,调节输入信号ui的大小,且保证输出信号u0波形不失真。用交流电流表分别接入N点、P点与芯片的连接点间,对电流iN、iP进行测量。之后用交流毫伏表测出输出电压u0见实验数据表2。

对实断电路的研究,如实断电路图3所示,直接将N点、P点与芯片的连接点断开,即iN=iP=0;之后用交流毫伏表测出输出端u0的电压;芯片移除后,再次测出输出端电压u0,数据如表2所示:

由数据表2中数据可看出在虚断的情况下,实际上iN、ip的电流差值iN-iP在-60.0μA—105.0μA之间,也就正是由于存在着这微小的电流差才使电路正常工作,整个电路之间的放大倍数保持在9.47—10.30倍。当实断时iN=iP=0,电路已不正常工作,没有输入信号进入运放芯片,无放大能力,输出电压u0实际上是通过反馈电路RF由输入端直通到了输出端,运放已彻底不起作用,将芯片移除后,输出电压随输入电压增大而增大。

由上述可知,虚断电路中iN、iP电流并不能等于0,即iN≠iP≠0,且电流差值iN-iP要在-60.0μA—105.0μA之间,电路才能正常工作。实际若将iN、ip与芯片的连接点断开,即实断iN=iP=0,运放芯片无输入,没有工作,若此时将运放芯片移走,输出端与输入端就只由反馈电路RF相连,输出端电压u0小于输入端电压ui,且输出端电压u0随输入端电压ui的变动而变动。

4 结束语

由以上分别对虚短和实短电路、虚断和实断电路的研究得出,虚短、虚断和实短、实断有着本质的区别,在虚短电路中uN、up两点的电压并不相等,即并不满足uN=up,且电压差值uN-uP在0.40mv—2.60mv之间,芯片才正常工作;在虚断电路中,电流iN、iP并不等于零,即并不满足iN=iP=0,电流差iN-iP在-60.0μA—105.0μA之间,芯片正常工作;正是由于N、P两点的电压uN、up和电流iN、iP存在着这微小的差别才使芯片正常工作。其原因是运放芯片本身的放大能力极大,一般在105以上,故而有一个微小的信号输入,电路就能正常工作,而真正的实短、实断电路中uN=up、iN=iP=0时,芯片已无输入信号,故不能工作,此时与芯片移除时无异。而运放电路在理论计算中虚短、虚断使用了实短、实断的基本概念,实际电路在工作中的电参量的大小与理论计算中的基本是一致的。其原因在于电路中有反馈电阻RF形成负反馈电路,起到了关键的作用。

［1］霍亮生.集成运放在信号运算方面的应用［M］.电子技术基础,北京:清华大学出版社,2011.

［2］刘浩斌.数字电路与逻辑设计［M］.北京:电子工业出版社,2003.

［3］白中英.数字逻辑与数字系统［M］.北京:科学出版社,1998.

［4］沈复兴.电子技术基础(下册)［M］.北京:电子工业出版社,2004.

表2 补充增强信息类型

表2中,当有效负载类型(payload type)为2时,补充增强信息(SEI)语法定义为Reserved_sei_Message语法定义。

加入了增强现实信息数据的SEI单元在H.264码流中的形态如图3所示:

图3 加入了SEl的NALU序列

SEI单元可在任意完整的NALU单元之间插入,可以是每个IDR帧前插入,也可以在某个P帧或B帧前插入。

SEI单元的内部结构如表3所示:

表3 增强现实信息用户数据的SEl内部结构

由于增强现实信息视频码流符合H.264的标准规范,因此原有存储和解码设备无需改动即可使用。使用增强现实信息规范的解码平台可从中提取并分析额外信息。

5 难点问题分析

在视频监控系统中部署增强现实技术,取得了几大成效。第一,使用者在观看时可以实现所见即所得,极大的解放了劳动力,提升了工作效率。第二,将视频画面的背景进行了结构化描述,为大数据分析平台提供了宝贵的数据源。

但是目前有两大不足。第一,所有的增强现实信息必须人工添加,无法自动识别。这也是短期内无法解决的问题。第二,人工添加时,同一处目标会多次出现在不同的摄像机画面中,每个画面都需要单独添加增强信息,不能复用。这个问题的解决方法是建立全球唯一实体三维坐标库。但现在受制于传感器的精度,即使建立了全球数据库,也无法精确定位。所以提升传感器精度是必须跨越的技术门槛。

参考文献

［1］朱淼良,姚远,蒋云良.增强现实综述［J］.国图象图形学报,2004, 7:767.

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