Перейти к содержанию

Виртуальная земля

В инвертирующем усилителе на операционном усилителе неинвертирующий вход заземлён, а инвертирующий с землёй не соединён — и всё равно напряжение на нём почти нулевое. Обратная связь удерживает его там, поэтому его называют виртуальной землёй.

Обновлено Редакция GAW

Виртуальная земля (virtual ground) — узел схемы на операционном усилителе, который не соединён с землёй, но удерживается обратной связью практически на её потенциале. Классический пример — инвертирующий вход инвертирующего усилителя: неинвертирующий вход заземлён, а собственное усиление ОУ огромно, поэтому обратная связь подстраивает выход до тех пор, пока разность между входами не станет почти нулевой. TI в Op Amps For Everyone так и пишет: не настоящая земля, но ведёт себя как земля.

Что это даёт при расчёте

Ток во входы ОУ считается нулевым, а инвертирующий вход — точкой с нулевым напряжением. Тогда ток через входной резистор RG целиком идёт через резистор обратной связи RF:

UвхRG=−UвыхRF⇒K=−RFRG,Rвх=RG.\frac{U_\text{вх}}{R_G} = -\frac{U_\text{вых}}{R_F} \quad \Rightarrow \quad K = -\frac{R_F}{R_G}, \qquad R_\text{вх} = R_G.

Входное сопротивление схемы равно RG: второй конец резистора «висит» на виртуальной земле. Поэтому же работает сумматор: несколько входных резисторов сходятся в виртуальной земле, токи не мешают друг другу и складываются в RF.

Однополярное питание

Если ОУ питается от одного источника, например MCP6002 от 1,8–6 В, выход не может уйти ниже нуля. Тогда на неинвертирующий вход подают среднюю точку VCC/2, и виртуальная земля переезжает туда же: в схеме из приложения A.3.18 Op Amps For Everyone выход равен −Uвх·RF/RG + VCC/2. В жаргоне «виртуальной землёй» часто называют и саму эту среднюю точку, полученную делителем или буфером.

Виртуальная земля держится, только пока ОУ работает в линейном режиме: если выход упёрся в шину питания или не успевает за сигналом по скорости нарастания, обратная связь перестаёт действовать, и напряжение на входе уходит. Полосу такой схемы определяет усиление шума 1 + RF/RG, а не модуль усиления сигнала. Не путать с общим проводом схемы и с «плавающей» землёй — виртуальная земля держится активно и только в узле обратной связи. Подробно о схемах включения — в статье «Операционный усилитель», номиналы резисторов и полосу считает калькулятор на ОУ.

Частые вопросы

Почему инвертирующий вход ОУ называют виртуальной землёй?

Он не соединён с землёй, но напряжение на нём почти такое же, как на заземлённом неинвертирующем входе. Обратная связь меняет выход так, чтобы разность между входами стремилась к нулю, — так TI объясняет это в Op Amps For Everyone. Поэтому при расчёте его можно считать точкой с нулевым потенциалом.

Какое входное сопротивление у инвертирующего усилителя?

Равное входному резистору RG: его второй конец подключён к виртуальной земле, и источник сигнала видит RG на землю. Отсюда ограничение: при большом усилении −RF/RG нельзя взять RG слишком малым, иначе он нагрузит источник.

Что такое виртуальная земля при однополярном питании?

Средняя точка, обычно VCC/2, относительно которой работает схема: её подают на неинвертирующий вход, и инвертирующий вход удерживается на том же напряжении. Выход тогда колеблется вокруг VCC/2, как в схеме из приложения A.3.18 TI: VOUT = −VIN·RF/RG + VCC/2. В жаргоне эту среднюю точку тоже зовут виртуальной землёй.

Источники

  1. Mancini R. (ed.). Op Amps For Everyone. Texas Instruments, SLOD006B, архивная копия официального файла TI (на ti.com снят, 404 на 18 октября 2026) — разд. 3.3: у инвертирующего усилителя неинвертирующий вход заземлён, обратная связь держит инвертирующий на виртуальной земле — не настоящей, но ведущей себя как земля; ток через RG равен току через RF; усиление −RF/RG (ур. 3-5); входное сопротивление задаёт RG; разд. 3.4: сумматор; прил. A.3.18: инвертирующий усилитель переменного сигнала с однополярным питанием и смещением VCC/2, VOUT = −VIN·RF/RG + VCC/2
  2. Microchip. MCP6001/1R/1U/2/4: 1 MHz, Low-Power Op Amp (DS20001733L) — однополярное питание 1,8–6 В, входы и выход rail-to-rail, произведение усиления на полосу 1 МГц

Нашли ошибку?

Смотрите также