電路構思/運算放大器反向電流到電壓轉換器
電路構思：運算放大器補償電阻引起的內部損耗，向輸入電壓源新增與它在電阻上損失的電壓一樣多的電壓。
我們已經揭示了最流行的簡單轉換電路的秘密 - 被動電流到電壓轉換器。我們知道，這些型別的電路通常有兩個版本 - 被動（“壞”）和主動（“好”）。當我們考慮相反的電壓到電流轉換器時，我們確定了兩個版本之間存在密切的相互關係 - 主動 電路源於 被動 版本；它只是一個改進的被動版本。此外，我們弄清楚了被動版本是如何轉變為主動版本的。
類似地，我們現在可以假設存在一個主動電流到電壓轉換器，它的 被動 版本和主動版本也相互關聯。然後，讓我們看一下這兩個電路實現 - “壞”的被動版本（圖 1 的頂部）和“好”的主動版本（圖 1 的底部）。我們再次可以看到，主動版本包含被動版本 + 一個按照某種（也許是相同？）強大思想連線的運算放大器。
再次，我們可能會問自己，“被動電路是如何轉變為主動電路的？”，“這種連線的思想是什麼？”以及“運算放大器在該電路中起什麼作用？”我們可以透過跟蹤 被動電路 演變為主動電路的過程來回答這些問題。
我們已經知道為什麼 簡單的電流到電壓轉換器（圖 2）是一個不完美的電路 - 因為電阻 R 上的輸出電壓降 VR 影響輸入電流（這裡我們假設輸入電流是由一個由電壓源 VIN 和內部電阻 Ri 組成的真實源建立的）。
我們可以從兩個相反的角度看待電壓 VR。從輸入電壓源的角度來看，電壓降 VR 是有害的；所以，輸入源“希望”這個電壓不存在。相反，從負載的角度來看，VR 是一個有用的電壓降，因為它作為輸出量；所以，負載“希望”這個電壓存在，甚至儘可能高。顯然，這裡存在矛盾 - 電壓降 VR 必須存在，同時又必須不存在。我們如何解決這種矛盾？
如果您點選互動式快閃記憶體 電影 [1] 中的探索按鈕，或者如果您在互動式快閃記憶體 構建器 中轉到階段 2，您可以以更具吸引力的方式探索被動電路的操作。[2]
請記住，在現實生活中，當我們解決某個問題，但我們自己造成的干擾阻礙了我們的前進時，我們該怎麼做。經典的補救措施是消除干擾的原因。只是，這並不總是可行的；然後，我們使用另一種奇特的解決方案 - 我們透過等效的“反干擾”來消除干擾。為此，我們使用額外的電源（能量），它“幫助”我們（主電源）透過僅補償由內部麻煩量引起的區域性損耗來進行補償（相反，在相反的 主動電壓到電流轉換器 中，額外的電源補償由外部量引起的損耗）。這種技術與額外的能量不斷浪費有關，但結果為零（虛擬接地 [3]）；因此，我們更喜歡在富裕且同時懶惰的情況下使用它：）。例如：如果我們在冬天打破了窗戶，我們會開啟加熱器來補償熱量損失；反之，在夏天，我們會開啟空調。更多例子：如果我們的汽車與另一輛汽車發生碰撞，保險公司會賠償我們對對方汽車造成的損失；如果我們給別人惹麻煩，我們會道歉；如果我們從賬戶中花了錢，我們會開始往賬戶裡存入更多的錢，等等（參見 虛擬接地 頁面[4] 以獲取更多示例）。在所有這些情況下，
我們已經準備好了（以防萬一）“備用”資源，以便在需要補償最終的內部損耗時使用它們。.
現在，讓我們將這個強大的想法付諸實踐。電阻 R 上的電壓降 VR 是有害的；因此，遵循上面的方法，我們必須透過“反電壓” -VR 來消除它。換句話說，我們必須向輸入（激勵）電壓源 VIN 新增與在電阻 R 上損失的電壓一樣多的電壓。
理解真實電子元件工作原理的最佳方法就是親自動手操作。因此，讓我們先構建一個“人工控制”的主動電路，其中一個人（我可以做這個苦力：）產生“反電壓”，而你改變輸入電壓。為此，我先將一個額外的輔助電池 BH 串聯到電阻 R 上（圖 3）。然後，為了比較這兩個電壓，我在 A 點連線一個零指示器，它顯示比較結果 VA = VH - VR。看，多麼簡單
在電阻器串聯新增一個可調電池，使其電壓等於電阻器上的電壓降！
現在，我們必須決定從哪裡獲取輸出（在哪裡連線負載）。讓我們考慮可能的解決方案（見圖 4）。
VOUT1 = VA = 0. 很自然地會嘗試使用舊的電路輸出（A 點相對於地面的電壓）。但我們剛剛破壞了這個電壓（A 點變成了虛擬地）！因此，我們不能使用這個電壓作為輸出：（
VOUT2 = VR. 然後讓我們嘗試使用電阻 R 上的電壓 VR。只是為了將負載連線到“懸浮”電阻 R，負載必須具有差分輸入。此外，如果負載具有一定電阻，它將並聯電阻，從而影響電流。然後我們該怎麼辦呢？
回想一下我們日常生活中，我們喜歡間接估計某個量 X 的情況。為此，我們首先用一個相等的“反量”Y = X 來破壞未知量；然後，我們測量“反量”Y，以瞭解初始量 X 的大小。一個例子 - 使用天平進行經典的稱重。
VOUT3 = -VH. 找到了！我們將使用“複製”電壓 -VH 作為輸出，而不是“原始”電壓 VR！真是個好主意！首先，負載將連線到公共地；其次，它將從“輔助”源 BH 消耗能量，而不是從輸入源 VIN 消耗能量！
最初，想象一下沒有輸入激勵電壓 VIN。結果，電路中沒有電壓降和電流；零指示器的指標指向零位置（圖 5）。我很高興，因為沒有事可做：）
如果增加輸入電壓 VIN，電流將開始流過電阻器。結果，電阻器上會出現電壓降 VR，A 點的電位 VA 開始上升（從比喻意義上講，輸入源“向上拉”A 點指向正電壓 VIN）。只是，我觀察到指標很不情願地向右偏轉，並立即做出反應，降低補償電壓 VH。現在，它“向下拉”A 點指向負電壓 -VH，直到它設法將電位 VA 歸零（虛擬地）。請注意，兩個電壓源串聯連線，方向相同（- VIN +，- VH +），因此它們的電壓相加（假設我們順時針遍歷迴路）。相對於地，它們具有相反的極性。
透過這種方式，輸入電壓源得到了“幫助”；其電壓增加與它在電阻器上損失的電壓一樣多（VR）。結果，“麻煩的”電壓 VR 消失了；A 點的電壓為零；它表現為 虛擬地。真實的輸入電壓源被“欺騙”了：它有了一種錯覺，認為它的輸出短路了。
你可以想象當你將輸入電壓 VIN 降到低於地電位時會發生什麼。如上所述，我將調整電池電壓，觀察零指示器的指標，以始終保持 VH = -VR。在電子學、技術世界和人類世界中，這種行為被稱為 負反饋（一種偉大的現象）。
現在讓我們嘗試讓某個電子器件來做這個苦力；運算放大器似乎是個不錯的選擇。為此，我們將運算放大器的輸出連線到輔助電壓源的位置，將運算放大器的輸入連線到 A 點，使運算放大器“幫助”輸入源（運算放大器的輸出電壓和輸入電壓相加）。
最初，像 上面 一樣，想象一下沒有輸入激勵電壓 VIN。結果，電路中沒有電壓降和電流。運算放大器的反相輸入和同相輸入之間幾乎沒有電壓差；現在，它“很高興”，因為沒有事可做：）
如果輸入電壓 VIN 升高，輸入電流 IIN 將開始流過電阻器 R（圖 6）。結果，電阻器上會出現電壓降 VR，A 點的電位 VA 開始上升（輸入源“向上拉”A 點指向正電壓 VIN）。只是，運算放大器“觀察到”這一點很不情願：（並立即做出反應：它降低其輸出電壓，“吸取”電流 IIN，直到它設法將電位 VA 歸零。從比喻意義上講，運算放大器“向下拉”A 點指向負電壓 -V 以建立虛擬地。它透過將負電源 -V 產生的電壓的一部分與輸入電壓 VIN 串聯連線來實現這種魔法。如 上面 所述，兩個電壓源串聯連線，方向相同（- VIN +，- VH +），因此它們的電壓相加。只是，相對於地，它們具有相反的極性。
如果輸入電壓 VIN 降到低於地電位，輸入電流 IIN 將開始以相反的方向流過電阻器 R（圖 7）。結果，電阻器上會出現電壓降 VR，A 點的電位 VA 開始下降（現在，輸入源“向下拉”A 點指向負電壓 -VIN）。只是，運算放大器“觀察到”這一點，並立即做出反應：它增加其輸出電壓，“推”出電流 IIN，直到它設法將電位 VA 歸零（現在，運算放大器“向上拉”A 點指向正電壓 +V 以建立虛擬地）。它透過將正電源 +V 產生的電壓的一部分與輸入電壓 VIN 串聯連線來實現這種魔法。兩個電壓源再次串聯連線，方向相同（+ VIN -，+ VH -），因此它們的電壓相加。如上所述，相對於地，它們具有相反的極性。
結論。 在運算放大器電流到電壓轉換器電路中，運算放大器向輸入源電壓新增的電壓與它在電阻器上損失的電壓一樣多。運算放大器補償了這個 內部電阻 造成的區域性損耗（反之，在相反的 運算放大器反向電壓到電流轉換器 中，運算放大器補償了 外部負載 造成的損耗）。
一旦我們建立了一個完美的電流到電壓轉換器，我們就可以用它作為構建塊來構建更復雜的複合電路。為此，我們只需要將單獨的構建塊依次連線起來。
首先，我們可以將運放電流到電壓轉換器連線在具有電壓輸入的電路之前；因此我們讓他們感知電流。
完美的電流計。我們已經透過在伏特計之前連線一個簡單的電流到電壓轉換器（分流電阻）來構建一個簡單的電流計
複合電流計 = 電流到電壓轉換器 + 伏特計
類似地，我們可以透過在伏特計之前連線一個運放電流到電壓轉換器來構建一個完美的電流計（圖 8）
完美的電流計 = 運放電流到電壓轉換器 + 伏特計
這種有源電流計不會在被測電路中引入麻煩的壓降。只有常用的萬用表使用完全被動的版本來測量大電流（參見 被動版本和主動版本之間的比較）。
然後，我們可以將運放電流到電壓轉換器連線在具有電流輸出的電路之後；因此我們讓他們產生電壓。例如，我們已經知道如何構建一個簡單的電流源。透過應用這種技術，我們可以組裝著名的運放電路，如反向放大器（圖 9）、電容微分器、電感積分器、二極體反對數轉換器等等。
運放反向放大器 = V-to-I 轉換器 + 運放 I-to-V 轉換器
運放 V-to-V CR 微分器 = V-to-I C 微分器 + 運放 I-to-V 轉換器
運放 V-to-V LR 積分器 = V-to-I L 積分器 + 運放 I-to-V 轉換器
運放 V-to-V DR 反對數轉換器 = V-to-I D 反對數轉換器 + 運放 I-to-V 轉換器
在所有這些電路中，各個 I-to-V 轉換器上的壓降不會引入誤差（準確地說，它會引入誤差，但運放會消除它）。
運放 I-to-V 轉換器就像一個 運放 V-to-I 轉換器 是一種有源電路；因此，我們可以期待它也能放大。實際上，它充當一個線性電路，具有傳輸比 k = VOUT/IIN [V/mA] 或 歐姆，其尺寸為電阻。這就是為什麼他們經常稱它為跨阻或 跨阻放大器（跨阻是“傳遞阻抗”的縮寫）。然而，讓我們嘗試回答這個問題，“運放 I-to-V 轉換器是放大器嗎？”
是的，它是一個放大器！運放反向 I-to-V 轉換器不會從輸入源消耗任何功率；它只是一個短接（見下面關於輸入電阻的解釋）。因此，它比相反的 運放反向電壓到電流轉換器 更加完美的放大器，後者消耗功率 P = VIN2/R。為了比較這兩個電路，再次組裝一個運放反向放大器，依次連線一個裸電阻器（R1）和一個電流到電壓轉換器（電阻器 R2 和一個運放 OA） - 圖 9。
最後，讓我們透過研究輸入和輸出電阻來比較這兩個版本。
輸入電阻。首先，串聯連線一個電流計和並聯連線一個伏特計到轉換器的輸入（圖 10）；然後改變輸入電壓以研究輸入電阻。你可能記得，在被動版本中，從輸入源的一側看，我們看到兩個並聯的電阻器 - R 和 RL；因此，輸入電阻為 RIN = R||RL。現在，我們看到電阻為零，因為運放“抵消”了電阻 R。
太棒了，電阻 R 消失了！在這種情況下，運放“幫助”輸入電壓努力改變電流。
輸出電阻。現在，並聯連線一個伏特計和串聯連線一個電流計到轉換器的輸出（圖 11）；然後，改變負載電阻（電壓）並觀察電流以研究輸出電阻。請記住，在被動版本中，從負載的一側看，我們看到兩個並聯的電阻器 - Re（輸入電路的等效電阻）和 R；因此，輸出電阻為 ROUT = Re||R。現在，情況更有趣：當我們改變負載時，輸出電壓保持穩定！該電路表現得像一個具有零輸出電阻的理想電壓源。
工作範圍。運放執行所有這些“魔法”，直到它可以改變其輸出電壓（即，直到它處於有源區域）。當它達到電源軌時，運放會飽和，魔法就會消失，幾乎理想的有源電路又變成了不完美的被動電路：（注意，被動版本沒有這樣的問題；它始終是不完美的：）。
功率考慮因素。雖然有源（運放）電流到電壓轉換器是一個完美的電路，但常用的萬用表並非如此。為了測量電流，他們使用不完美的被動電流到電壓轉換器，而不是幾乎理想的運放電流到電壓轉換器。應用這種過時的電流測量方法的原因是在有源版本（圖 3）中，所有的輸入電流 IIN 流過“輔助”電壓源 BH。因此，該電源必須能夠承受這種電流。因此，在實際的運放電路（圖 4）中，電源和運放都必須能夠承受被測輸入電流。例如，如果他們試圖測量 10A 的電流（通用數字萬用表的正常最大電流範圍），他們必須使用汽車電池作為電源，以及能夠散熱 100W 的“功率運放”！
有源（運放）電流到電壓轉換器是一個完美的電路；但是，它只適合低電流應用。
極性。兩個版本之間的另一個區別是運放電路是反向的（也許在某些情況下這是一個優勢）。
運放反向電流到電壓轉換器是最流行的轉換電路之一，它存在於幾乎所有關於運放電路的電子書籍中。只是，這個著名電路背後的基本理念一直沒有被公開。
- ↑ 被動電流到電壓轉換器 是一個揭示被動版本哲學的動畫 Flash 教程。
- ↑ 運放電路構建器 (電影理念) 是一個互動式 Flash 教程，展示瞭如何將任何被動轉換器轉換為有源轉換器。
- ↑ 我們如何建立一個虛擬地? 揭示了運放反向電壓到電流轉換器所基於的偉大電路現象的秘密。
- ↑ 虛擬地 仔細研究了具有並聯負反饋的電路背後的基本現象。
電路理念（本書）
被動電流到電壓電流轉換器 揭示了被動版本背後的基本理念。
被動電壓到電流電壓轉換器 揭示了“映象”電路被動版本背後的基本理念。
電流到電壓轉換器 介紹了電路的被動版本和主動版本。
虛擬地 仔細研究了具有並聯負反饋的電路背後的基本現象。
運算放大器反向求和器 是一個動畫教程，它使用運算放大器反向電流到電壓轉換器來構建著名的運算放大器求和電路。
我如何揭示並聯負反饋電路的秘密揭示了這類電路的原理（運算放大器反向電流到電壓轉換器屬於這類電路）。
什麼是阻抗放大器，到底是怎麼回事？ - 即使是著名的Bob Pease 也未曾揭示過這種電路的理念。