在电子电路领域，运算放大器（运放）电路是一个重要的研究对象，而虚地概念在运放电路分析中起着关键作用。实际上，虚地并非仅仅适用于运放电路，在其他拓扑结构中也有典型应用场景，差分滤波器分析便是其中一例。本文将对虚地概念进行深入论证，帮助读者更好地理解其在不同电路中的应用。
图 1 展示了共模 / 差模 (CM - DM) 电磁干扰 (EMI) 滤波器电路，该电路体现了虚地模型的应用。此电路采用单个差模电容实现，为了便于分析，我们将其拆分为两个串联电容，并在中间设置一个虚地点，这样就能对更精简的单端电路进行分析。
对虚地的误读
虚地概念通常在介绍运放电路时被提及，但在实践中，其本质含义常常被模糊或遗忘。很多工程师可能认为虚电位点仅存在于采用负反馈的运放电路的其中一个输入节点，然而事实并非如此。图 2 是介绍虚地概念时常用的典型示例，理想负反馈运放电路的反相节点常被直接标注为虚地，但实际上，这个节点只是具有虚地电位，并非虚地本身。根据理想运放模型，引入负反馈且开环增益无穷大时，运放输入端满足 V+ = V–，当同相输入端接地时，通过虚短特性，运放反相输入端的电位等于 0V（地电位）。
图 3 展示的理想电平偏移运放电路中，理想负反馈运放的反相节点具有 VDC 的虚电位。这种设计常用于需要双极性信号范围（如 ±2.5V）的单电源系统，或用作缓冲电压源。
虚电位与虚短模型
图 4 给出了一种虚电位模型。由于阻抗接近无穷大，仅有极小电流能够流过模型电阻 (R1)，所以 R1 两端基本不存在压降，从而形成虚短，且虚电位输出端电位等于 VVP。
无穷大是否过于理想化？
在实际工况中，阻抗无穷大本质上就是开路，这看似与虚电位模型相矛盾。但我们可以用一个阻值极大的电阻来说明其中的原理。电路理论研究者和教师在教学中简化了概念，学生们往往接受了理想运放输入端具有无穷大阻抗这一设定。实际上，在负反馈电路中，运放的一个输入端会镜像另一个输入端的电位（实际电路中会存在一定失调）。本文给出的理想虚电位模型有助于理解虚短与虚电位的本质，该模型也可经过修改用于电路仿真。使用高阻值电阻即可近似实现虚电位，但通常会受到仿真器收敛性的限制，可通过选择电阻阻值和 / 或调整仿真节点容差（例如 RELTOL 等）来解决。图 5 给出了一个包含虚电位的电路在 LTspice 直流仿真中的示例。
注：设计人员在电路仿真中，每当使用兆欧级大电阻将节点接地（或接至其他电位）以避免浮空节点收敛问题时，实际上都是在应用虚电位模型。图 6 显示，无论是否理想，虚电位模型本身就内嵌在运放模型之中。在运放的 (+) 节点施加一个电压电位后，会连接至理想运放的无穷大输入阻抗，无穷大输入阻抗与负反馈结构共同建立起虚短，进而将 (-) 节点钳位在 VDC 这一虚电位上。对于非理想运放模型，其开路输入阻抗通常极大，引入负反馈后，这些阻抗会进一步增大，增大幅度近似等于运放开环增益 (Rin≈ AOL× R12)，尽管并非无穷大，但其极高的输入阻抗与模拟的虚电位模型是一致的。
半电路分析、虚地和 CM - DM EMI 滤波器
在引言部分，图 1 展示了图 7 所示 EMI 滤波器半电路分析的中间步骤，目的是说明在进行此类分析时，虚地应施加于何处。半电路分析是将电路拆分为两个镜像对称电路，这两个镜像电路代表两个相同的单端电路，对差分信号具有相同的传递函数。对半电路进行分析后，只需保留其中一个（更简单的）单端电路进行分析即可。与两条差分线均并联的元件需做修改，并以虚地为参考点。半电路分析利用了对称平衡电路结构、反对称输入信号与叠加定理，简化后的半电路可分别用于分析共模或差模工作状态。
这种输入信号配置常用于仪表仪器放大器与差分放大器的分析中，以分别求取共模和差模信号传递函数。图 8 重新绘制了滤波器，并标出对称轴线，随后将差分电容拆分为两个镜像器件，这两个串联电容的总容量与原来的差分电容 CDiff 等效。
图 9 给出了等效的共模和差模半电路。共模半电路通过断开（开路）所有半电路互连得到，差模半电路则通过将所有半电路互连点连接至虚地得到。
一步是将虚地替换为信号地。尽管虚地具有无穷大阻抗，但差分电路的另一半电路能够有效吸入或流出电流，这与信号地等效，即一个能够吸入或流出电流的地电位节点。在电路传递函数推导或仿真中，可将虚地替换为信号地，于是两个并联的电容可以直接合并，得到图 10b 所示的简单 RC 电路。
利用这些简化后的共模和差模半电路，可以推导出 CM 与 DM 传递函数及其对应的带宽表达式。图 11 给出了等效的 CM 电路、DM 电路及其平衡带宽。
轨分压电路和虚地
轨分压电路常用于从电池等单电源生成双极性电源。典型电路会采用电阻分压器等轨分压结构，在电源轨之间产生一个中点基准电压。在图 12 中，电路提供输出电流，同时通过负反馈缓冲器将输出电平稳定在 BATT/2 这一虚地电位上。
注：相对于地电位 VGND，V + 电位为 BATT/2，V - 电位为 - BATT/2。然而，不少场合中轨分压电路被误称为虚地电路。由于轨分压电路设计为能够输出和吸入电流，其输出地节点并非虚地，而是一个具备电流回流路径的真实地节点。这种不当命名容易造成对虚电位（包括虚地）的理解混淆。虚电位概念确实适用于该电路，体现在缓冲放大器的虚短上，它从电池中获取分压后的电位，但整个电路并未提供真正的虚地。
