電路創意/運算放大器反相電流電壓轉換器視覺化
電路創意：運算放大器透過在輸入電壓源上新增與它在電阻上損失的電壓相等的電壓來消除電阻。
想象一下，我們需要解決一個眾所周知的問題——測量一個電流IIN，這個電流是在我們短路一個具有內部電壓VIN和內阻Ri的真實電壓源時流過的。為了這個目的，在關於運算放大器反相電流電壓轉換器的基本故事中，我們斷開了電路，並連線了一個測量電阻R，以獲得一個輸出電壓VOUT = VR。然而，電阻R上的電壓降VR會影響輸入電流。因此，我們用一個“反電壓”VH補償了“干擾”電壓VR（我們透過另一個電壓源“幫助”了輸入電壓源），並將其用作輸出電壓（參見下面的圖2）。
透過這種方式，我們已經設法瞭解瞭如何將這個不完美的無源電路轉換為一個幾乎理想的運算放大器電路。然後我們主要對電路結構而不是電路操作感興趣；這就是為什麼我們按照基本的“幫助”理念一步步地構建了這個電路。如果我們是打算僅出於個人目的使用這個電路的學生、愛好者和技術人員，這將足夠了。
然而，如果我們是想要展示電路操作的教師，讓他們的學生真正理解，這還不夠。在這種情況下，我們必須讓這些年輕人對電路操作感興趣；我們必須以更具吸引力的方式向他們展示有源元件（一個人和一個運算放大器）是如何實現“幫助”理念的。為了這個目的，我們可以在此使用一組常用的啟發式視覺化工具：電壓條、電壓圖、電流回路和疊加的IV曲線。
讓我們先看一下圖2。您注意到元件BIN和Ri上的電壓和電壓降是正的，而元件R、BH和L上的電壓是負的嗎？
然後，我們可以將它們重新排列成更合適的形式，以便將視覺化元素疊加在電路圖上（參見下面的圖3a）。為了這個目的，讓我們先在紙張中間畫一條淡紅色的線，將繪圖區域分成兩部分：一個正的上方區域和一個負的下方區域。然後，讓我們將電壓在其兩端為正的元件（激勵電壓源VIN和內阻Ri）放在上方，並將電壓在其兩端為負的元件（幫助電壓源VH、電阻R和負載L）放在下方。提示：將紅色線想象成“海平面”；所有“正事物”位於“海平面之上”，而所有“負事物”位於“海平面之下”。現在，讓我們開始實驗。
如果您施加一個正的輸入電壓VIN（圖3a），一個電流將開始沿著電路流動，方向為VIN >>> Ri >>> R >>> VH。從形象上講，您使輸入源“拉起”點A，使其接近正電壓VIN（您、輸入源和電阻Ri“從海中浮現”）。然而，我沮喪地觀察到指標向右偏轉，並立即透過降低補償電壓VH來做出反應。現在，我使它“拉下”點A，使其接近負電壓-VH（我、“幫助”源、電阻R和負載“沉入海中”），直到它設法將電位VA歸零（虛擬地）。請注意，在這種佈置中，兩個電壓源是串聯連線的，方向相同（- VIN +，- VH +），因此它們的電壓被疊加。實際上，它們構成一個新的複合電壓源，作為“幫助”源產生修正後的輸入電壓。
在圖形表示（圖3b）中，當輸入電壓源的IV曲線從左向右水平移動時，"幫助"電壓源的IV曲線從右向左水平移動，反之亦然。結果，工作點A沿著新的垂直IV曲線滑動，這條曲線代表虛擬地的零動態電阻Rd。
如果您在接地下方施加一個負的輸入電壓VIN，一個電流將開始沿著電路流動，方向相反：VIN >>> VH >>> R >>> Ri。現在，您使輸入源“拉下”點A，使其接近負電壓-VIN（您、輸入源和電阻Ri“沉入海中”）。然而，我觀察到指標向左偏轉，並立即透過提高補償電壓VH來做出反應。現在，我使它“拉起”點A，使其接近正電壓VH（我、“幫助”源、電阻R和負載“從海中浮現”），直到它再次設法將電位VA歸零（虛擬地）。兩個電壓源再次串聯連線，方向相同，因此它們的電壓被疊加。實際上，它們再次構成一個新的複合電壓源，作為“幫助”源產生修正後的輸入電壓。
在圖形表示（圖 4b）中，當輸入電壓源的 IV 曲線從左向右水平移動時，“輔助”電壓源的 IV 曲線從右向左水平移動，反之亦然。結果，工作點 A 沿著新的垂直 IV 曲線滑動，該曲線代表虛擬地的零動態電阻 Rd。
最後，我們決定讓一個運算放大器來做這項無聊的工作。為此，我們將運算放大器的輸出連線到“輔助”電壓源的位置，並將運算放大器的輸入連線到點 A，以便運算放大器“幫助”輸入源。現在讓我們看看運算放大器是如何完成這個神奇的操作的。
如果輸入電壓 VIN 升高，輸入電流 IIN 將開始流過電路（圖 5a）。結果，電阻上會出現電壓降 VR，點 A 的電勢 VA 開始上升（輸入源“向上拉”點 A，接近正電壓 VIN）。但是，運算放大器“觀察到”令它很不高興的事情：（並立即做出反應：它降低其輸出電壓， “吸入”電流 IIN，直到它設法將電勢 VA 降為零。從比喻的角度來說，運算放大器“沉入海底”；它“向下拉”點 A，接近負電壓 -V，以建立虛擬地。它透過將負電源 -V 生成的部分電壓與輸入電壓 VIN 串聯來實現這個神奇的操作。這兩個電壓源串聯連線，方向相同（- VIN +，- VH +），以便它們的電壓相加。
如果輸入電壓 VIN 低於地，輸入電流 IIN 將開始以相反的方向流過電路（圖 5b）。結果，電阻 R 上會出現電壓降 VR，點 A 的電勢 VA 開始下降（現在，輸入源“向下拉”點 A，接近負電壓 -VIN）。但是，運算放大器“觀察到”並立即做出反應：它提高其輸出電壓，“推入”電流 IIN，直到它設法將電勢 VA 降為零（現在，運算放大器“從海底升起”並“向上拉”點 A，接近正電壓 +V，以建立虛擬地）。它透過將正電源 +V 生成的部分電壓與輸入電壓 VIN 串聯來實現這個神奇的操作。這兩個電壓源再次串聯連線，方向相同，以便它們的電壓相加。
