电路构思/运算放大器反向电流到电压转换器
电路构思：运算放大器补偿电阻引起的内部损耗，向输入电压源添加与它在电阻上损失的电压一样多的电压。
我们已经揭示了最流行的简单转换电路的秘密 - 被动电流到电压转换器。我们知道，这些类型的电路通常有两个版本 - 被动（“坏”）和主动（“好”）。当我们考虑相反的电压到电流转换器时，我们确定了两个版本之间存在密切的相互关系 - 主动 电路源于 被动 版本；它只是一个改进的被动版本。此外，我们弄清楚了被动版本是如何转变为主动版本的。
类似地，我们现在可以假设存在一个主动电流到电压转换器，它的 被动 版本和主动版本也相互关联。然后，让我们看一下这两个电路实现 - “坏”的被动版本（图 1 的顶部）和“好”的主动版本（图 1 的底部）。我们再次可以看到，主动版本包含被动版本 + 一个按照某种（也许是相同？）强大思想连接的运算放大器。
再次，我们可能会问自己，“被动电路是如何转变为主动电路的？”，“这种连接的思想是什么？”以及“运算放大器在该电路中起什么作用？”我们可以通过跟踪 被动电路 演变为主动电路的过程来回答这些问题。
我们已经知道为什么 简单的电流到电压转换器（图 2）是一个不完美的电路 - 因为电阻 R 上的输出电压降 VR 影响输入电流（这里我们假设输入电流是由一个由电压源 VIN 和内部电阻 Ri 组成的真实源创建的）。
我们可以从两个相反的角度看待电压 VR。从输入电压源的角度来看，电压降 VR 是有害的；所以，输入源“希望”这个电压不存在。相反，从负载的角度来看，VR 是一个有用的电压降，因为它作为输出量；所以，负载“希望”这个电压存在，甚至尽可能高。显然，这里存在矛盾 - 电压降 VR 必须存在，同时又必须不存在。我们如何解决这种矛盾？
如果您点击交互式闪存 电影 [1] 中的探索按钮，或者如果您在交互式闪存 构建器 中转到阶段 2，您可以以更具吸引力的方式探索被动电路的操作。[2]
请记住，在现实生活中，当我们解决某个问题，但我们自己造成的干扰阻碍了我们的前进时，我们该怎么做。经典的补救措施是消除干扰的原因。只是，这并不总是可行的；然后，我们使用另一种奇特的解决方案 - 我们通过等效的“反干扰”来消除干扰。为此，我们使用额外的电源（能量），它“帮助”我们（主电源）通过仅补偿由内部麻烦量引起的局部损耗来进行补偿（相反，在相反的 主动电压到电流转换器 中，额外的电源补偿由外部量引起的损耗）。这种技术与额外的能量不断浪费有关，但结果为零（虚拟接地 [3]）；因此，我们更喜欢在富裕且同时懒惰的情况下使用它：）。例如：如果我们在冬天打破了窗户，我们会打开加热器来补偿热量损失；反之，在夏天，我们会打开空调。更多例子：如果我们的汽车与另一辆汽车发生碰撞，保险公司会赔偿我们对对方汽车造成的损失；如果我们给别人惹麻烦，我们会道歉；如果我们从账户中花了钱，我们会开始往账户里存入更多的钱，等等（参见 虚拟接地 页面[4] 以获取更多示例）。在所有这些情况下，
我们已经准备好了（以防万一）“备用”资源，以便在需要补偿最终的内部损耗时使用它们。.
现在，让我们将这个强大的想法付诸实践。电阻 R 上的电压降 VR 是有害的；因此，遵循上面的方法，我们必须通过“反电压” -VR 来消除它。换句话说，我们必须向输入（激励）电压源 VIN 添加与在电阻 R 上损失的电压一样多的电压。
理解真实电子元件工作原理的最佳方法就是亲自动手操作。因此，让我们先构建一个“人工控制”的主动电路，其中一个人（我可以做这个苦力：）产生“反电压”，而你改变输入电压。为此，我先将一个额外的辅助电池 BH 串联到电阻 R 上（图 3）。然后，为了比较这两个电压，我在 A 点连接一个零指示器，它显示比较结果 VA = VH - VR。看，多么简单
在电阻器串联添加一个可调电池，使其电压等于电阻器上的电压降！
现在，我们必须决定从哪里获取输出（在哪里连接负载）。让我们考虑可能的解决方案（见图 4）。
VOUT1 = VA = 0. 很自然地会尝试使用旧的电路输出（A 点相对于地面的电压）。但我们刚刚破坏了这个电压（A 点变成了虚拟地）！因此，我们不能使用这个电压作为输出：（
VOUT2 = VR. 然后让我们尝试使用电阻 R 上的电压 VR。只是为了将负载连接到“悬浮”电阻 R，负载必须具有差分输入。此外，如果负载具有一定电阻，它将并联电阻，从而影响电流。然后我们该怎么办呢？
回想一下我们日常生活中，我们喜欢间接估计某个量 X 的情况。为此，我们首先用一个相等的“反量”Y = X 来破坏未知量；然后，我们测量“反量”Y，以了解初始量 X 的大小。一个例子 - 使用天平进行经典的称重。
VOUT3 = -VH. 找到了！我们将使用“复制”电压 -VH 作为输出，而不是“原始”电压 VR！真是个好主意！首先，负载将连接到公共地；其次，它将从“辅助”源 BH 消耗能量，而不是从输入源 VIN 消耗能量！
最初，想象一下没有输入激励电压 VIN。结果，电路中没有电压降和电流；零指示器的指针指向零位置（图 5）。我很高兴，因为没有事可做：）
如果增加输入电压 VIN，电流将开始流过电阻器。结果，电阻器上会出现电压降 VR，A 点的电位 VA 开始上升（从比喻意义上讲，输入源“向上拉”A 点指向正电压 VIN）。只是，我观察到指针很不情愿地向右偏转，并立即做出反应，降低补偿电压 VH。现在，它“向下拉”A 点指向负电压 -VH，直到它设法将电位 VA 归零（虚拟地）。请注意，两个电压源串联连接，方向相同（- VIN +，- VH +），因此它们的电压相加（假设我们顺时针遍历回路）。相对于地，它们具有相反的极性。
通过这种方式，输入电压源得到了“帮助”；其电压增加与它在电阻器上损失的电压一样多（VR）。结果，“麻烦的”电压 VR 消失了；A 点的电压为零；它表现为 虚拟地。真实的输入电压源被“欺骗”了：它有了一种错觉，认为它的输出短路了。
你可以想象当你将输入电压 VIN 降到低于地电位时会发生什么。如上所述，我将调整电池电压，观察零指示器的指针，以始终保持 VH = -VR。在电子学、技术世界和人类世界中，这种行为被称为 负反馈（一种伟大的现象）。
现在让我们尝试让某个电子器件来做这个苦力；运算放大器似乎是个不错的选择。为此，我们将运算放大器的输出连接到辅助电压源的位置，将运算放大器的输入连接到 A 点，使运算放大器“帮助”输入源（运算放大器的输出电压和输入电压相加）。
最初，像 上面 一样，想象一下没有输入激励电压 VIN。结果，电路中没有电压降和电流。运算放大器的反相输入和同相输入之间几乎没有电压差；现在，它“很高兴”，因为没有事可做：）
如果输入电压 VIN 升高，输入电流 IIN 将开始流过电阻器 R（图 6）。结果，电阻器上会出现电压降 VR，A 点的电位 VA 开始上升（输入源“向上拉”A 点指向正电压 VIN）。只是，运算放大器“观察到”这一点很不情愿：（并立即做出反应：它降低其输出电压，“吸取”电流 IIN，直到它设法将电位 VA 归零。从比喻意义上讲，运算放大器“向下拉”A 点指向负电压 -V 以建立虚拟地。它通过将负电源 -V 产生的电压的一部分与输入电压 VIN 串联连接来实现这种魔法。如 上面 所述，两个电压源串联连接，方向相同（- VIN +，- VH +），因此它们的电压相加。只是，相对于地，它们具有相反的极性。
如果输入电压 VIN 降到低于地电位，输入电流 IIN 将开始以相反的方向流过电阻器 R（图 7）。结果，电阻器上会出现电压降 VR，A 点的电位 VA 开始下降（现在，输入源“向下拉”A 点指向负电压 -VIN）。只是，运算放大器“观察到”这一点，并立即做出反应：它增加其输出电压，“推”出电流 IIN，直到它设法将电位 VA 归零（现在，运算放大器“向上拉”A 点指向正电压 +V 以建立虚拟地）。它通过将正电源 +V 产生的电压的一部分与输入电压 VIN 串联连接来实现这种魔法。两个电压源再次串联连接，方向相同（+ VIN -，+ VH -），因此它们的电压相加。如上所述，相对于地，它们具有相反的极性。
结论。 在运算放大器电流到电压转换器电路中，运算放大器向输入源电压添加的电压与它在电阻器上损失的电压一样多。运算放大器补偿了这个 内部电阻 造成的局部损耗（反之，在相反的 运算放大器反向电压到电流转换器 中，运算放大器补偿了 外部负载 造成的损耗）。
一旦我们创建了一个完美的电流到电压转换器，我们就可以用它作为构建块来构建更复杂的复合电路。为此，我们只需要将单独的构建块依次连接起来。
首先，我们可以将运放电流到电压转换器连接在具有电压输入的电路之前；因此我们让他们感知电流。
完美的电流计。我们已经通过在伏特计之前连接一个简单的电流到电压转换器（分流电阻）来构建一个简单的电流计
复合电流计 = 电流到电压转换器 + 伏特计
类似地，我们可以通过在伏特计之前连接一个运放电流到电压转换器来构建一个完美的电流计（图 8）
完美的电流计 = 运放电流到电压转换器 + 伏特计
这种有源电流计不会在被测电路中引入麻烦的压降。只有常用的万用表使用完全被动的版本来测量大电流（参见 被动版本和主动版本之间的比较）。
然后，我们可以将运放电流到电压转换器连接在具有电流输出的电路之后；因此我们让他们产生电压。例如，我们已经知道如何构建一个简单的电流源。通过应用这种技术，我们可以组装著名的运放电路，如反向放大器（图 9）、电容微分器、电感积分器、二极管反对数转换器等等。
运放反向放大器 = V-to-I 转换器 + 运放 I-to-V 转换器
运放 V-to-V CR 微分器 = V-to-I C 微分器 + 运放 I-to-V 转换器
运放 V-to-V LR 积分器 = V-to-I L 积分器 + 运放 I-to-V 转换器
运放 V-to-V DR 反对数转换器 = V-to-I D 反对数转换器 + 运放 I-to-V 转换器
在所有这些电路中，各个 I-to-V 转换器上的压降不会引入误差（准确地说，它会引入误差，但运放会消除它）。
运放 I-to-V 转换器就像一个 运放 V-to-I 转换器 是一种有源电路；因此，我们可以期待它也能放大。实际上，它充当一个线性电路，具有传输比 k = VOUT/IIN [V/mA] 或 欧姆，其尺寸为电阻。这就是为什么他们经常称它为跨阻或 跨阻放大器（跨阻是“传递阻抗”的缩写）。然而，让我们尝试回答这个问题，“运放 I-to-V 转换器是放大器吗？”
是的，它是一个放大器！运放反向 I-to-V 转换器不会从输入源消耗任何功率；它只是一个短接（见下面关于输入电阻的解释）。因此，它比相反的 运放反向电压到电流转换器 更加完美的放大器，后者消耗功率 P = VIN2/R。为了比较这两个电路，再次组装一个运放反向放大器，依次连接一个裸电阻器（R1）和一个电流到电压转换器（电阻器 R2 和一个运放 OA） - 图 9。
最后，让我们通过研究输入和输出电阻来比较这两个版本。
输入电阻。首先，串联连接一个电流计和并联连接一个伏特计到转换器的输入（图 10）；然后改变输入电压以研究输入电阻。你可能记得，在被动版本中，从输入源的一侧看，我们看到两个并联的电阻器 - R 和 RL；因此，输入电阻为 RIN = R||RL。现在，我们看到电阻为零，因为运放“抵消”了电阻 R。
太棒了，电阻 R 消失了！在这种情况下，运放“帮助”输入电压努力改变电流。
输出电阻。现在，并联连接一个伏特计和串联连接一个电流计到转换器的输出（图 11）；然后，改变负载电阻（电压）并观察电流以研究输出电阻。请记住，在被动版本中，从负载的一侧看，我们看到两个并联的电阻器 - Re（输入电路的等效电阻）和 R；因此，输出电阻为 ROUT = Re||R。现在，情况更有趣：当我们改变负载时，输出电压保持稳定！该电路表现得像一个具有零输出电阻的理想电压源。
工作范围。运放执行所有这些“魔法”，直到它可以改变其输出电压（即，直到它处于有源区域）。当它达到电源轨时，运放会饱和，魔法就会消失，几乎理想的有源电路又变成了不完美的被动电路：（注意，被动版本没有这样的问题；它始终是不完美的：）。
功率考虑因素。虽然有源（运放）电流到电压转换器是一个完美的电路，但常用的万用表并非如此。为了测量电流，他们使用不完美的被动电流到电压转换器，而不是几乎理想的运放电流到电压转换器。应用这种过时的电流测量方法的原因是在有源版本（图 3）中，所有的输入电流 IIN 流过“辅助”电压源 BH。因此，该电源必须能够承受这种电流。因此，在实际的运放电路（图 4）中，电源和运放都必须能够承受被测输入电流。例如，如果他们试图测量 10A 的电流（通用数字万用表的正常最大电流范围），他们必须使用汽车电池作为电源，以及能够散热 100W 的“功率运放”！
有源（运放）电流到电压转换器是一个完美的电路；但是，它只适合低电流应用。
极性。两个版本之间的另一个区别是运放电路是反向的（也许在某些情况下这是一个优势）。
运放反向电流到电压转换器是最流行的转换电路之一，它存在于几乎所有关于运放电路的电子书籍中。只是，这个著名电路背后的基本理念一直没有被公开。
- ↑ 被动电流到电压转换器 是一个揭示被动版本哲学的动画 Flash 教程。
- ↑ 运放电路构建器 (电影理念) 是一个交互式 Flash 教程，展示了如何将任何被动转换器转换为有源转换器。
- ↑ 我们如何创建一个虚拟地? 揭示了运放反向电压到电流转换器所基于的伟大电路现象的秘密。
- ↑ 虚拟地 仔细研究了具有并联负反馈的电路背后的基本现象。
电路理念（本书）
被动电流到电压电流转换器 揭示了被动版本背后的基本理念。
被动电压到电流电压转换器 揭示了“镜像”电路被动版本背后的基本理念。
电流到电压转换器 介绍了电路的被动版本和主动版本。
虚拟地 仔细研究了具有并联负反馈的电路背后的基本现象。
运算放大器反向求和器 是一个动画教程，它使用运算放大器反向电流到电压转换器来构建著名的运算放大器求和电路。
我如何揭示并联负反馈电路的秘密揭示了这类电路的原理（运算放大器反向电流到电压转换器属于这类电路）。
什么是阻抗放大器，到底是怎么回事？ - 即使是著名的Bob Pease 也未曾揭示过这种电路的理念。