Ist die Eingangsimpedanz eines Operationsverstärkers (Operationsverstärkers) unendlich oder Null?

Idealerweise ist die Eingangsimpedanz unendlich.

Bei der Berechnung des Eingangswiderstands (Rin) eines Differenzverstärkers ging der Autor jedoch davon aus, dass die beiden Eingangsanschlüsse kurzgeschlossen sind, was auch zutrifft, da die Verstärkung im offenen Regelkreis unendlich ist. (Was wiederum erfordert, dass die Differenz zwischen den Eingangsklemmenspannungen Null ist. Daher Kurzschluss.)

MEINE Frage: Warum betrachten wir in einigen Fällen (aufgrund der unendlichen Eingangsimpedanz) den Eingangsstrom Null und manchmal den endlichen Strom nach dem Kurzschlusskonzept? Gibt es eine Logik oder ist es nur eine Annehmlichkeit?

Dies ist der ausgeschnittene Schaltplan aus dem Buch:

Die Terminologie kann für einen Neuling tatsächlich verwirrend sein. Der Begriff "virtueller Kurzschluss" bezieht sich auf die Tatsache, dass in einer Operationsverstärkerschaltung mit negativer Rückkopplung die Schaltung so angeordnet ist, dass (idealerweise) die Spannung an den beiden Operationsverstärkereingängen Null wird.

Da eine der Eigenschaften eines Kurzschlusses zwischen zwei Punkten darin besteht, dass die Spannung an diesen Punkten Null ist, betrachteten die Leute, die diese Terminologie erfunden haben, (ich denke) eine intuitive Sache, um das, was zwischen den Eingangsanschlüssen des Operationsverstärkers geschieht, als "virtuell" zu bezeichnen kurz". Sie nannten es "virtuell", weil ihm die andere Eigenschaft eines realen (idealen) Kurzfilms fehlt : jede Menge Strom ohne Probleme zu verschlingen! Leider ist das kein kleiner Unterschied! Sie hätten das Ding weniger verwirrend nennen können ("das Prinzip des Spannungsausgleichs"!?!), Aber "das Prinzip des virtuellen Kurzschlusses" klingt wahrscheinlich cooler! Wer weiß?!

Wenn wir also sagen, dass zwischen den beiden Eingängen ein virtueller Kurzschluss besteht , ist es nur eine einfache und konventionelle Art zu sagen, dass die Schaltung versucht, die Spannungen an den Eingängen auszugleichen, dh sie versucht, sie gleich zu machen und gleich zu halten.

Es ist zu beachten, dass das Vorhandensein des "virtuellen Kurzschlusses" eine Eigenschaft der Schaltung ist, nicht des Operationsverstärkers (obwohl er die idealerweise unendliche Verstärkung des Operationsverstärkers ausnutzt), während die Tatsache, dass kein Strom in die Eingänge fließt, eine Eigenschaft des Operationsverstärkers ist (im Idealfall).

BEARBEITEN (durch einen Kommentar veranlasst)

Ich werde versuchen, klarer zu machen, was ich oben gesagt habe. Der virtuelle Kurzschluss ist ausschließlich auf zwei Schlüsselfaktoren zurückzuführen: sehr hohe Verstärkung + negatives Feedback.

$V^+$$V^-$$V_o$$V_o = A(V^+-V^-)$$A$

$V^+-V^-=V_o/A$$V_o$$A$

$V^+$$V^-$

Wenn Sie eine negative Rückkopplung anwenden, erhalten Sie an den Eingängen über einen sinnvollen Bereich von Eingangsspannungen eine Differenzspannung von Null .

Sehr gute Frage.

Ich denke, vieles davon kann durch einen Blick auf das Ersatzschaltbild eines Operationsverstärkers beantwortet werden.

Für einen idealen Operationsverstärker ist der Strom, der in V + und V- fließt, Null, was bedeutet, dass Rin unendlich sein muss.

Wenn ein idealer Operationsverstärker in einer Rückkopplungsanordnung eingerichtet ist (Vout ist in irgendeiner Weise mit V + oder V- verbunden), ist die Spannung an V + gleich V-. Das Lehrbuch simuliert, dass V + gleich V- ist, indem es dort einen virtuellen Kurzschluss macht. Die Eingangsimpedanz des Operationsverstärkers ist immer noch unendlich!

In meiner Circuit-Klasse haben wir keinen virtuellen Kurzschluss zwischen den beiden gemacht, da dies verwirrend sein kann. Stattdessen haben wir nur V + = V- gesagt und dies als Gleichung verwendet, um andere Unbekannte zu lösen.

Kurz gesagt, es gibt eine Differenz zwischen der Eingangsimpedanz des Operationsverstärkers und der Eingangsimpedanz des Gesamtverstärkerschaltung . Selbst in Bezug auf den von Ihnen gezeigten Diff-Verstärker fließt tatsächlich kein Strom in den Operationsverstärker, der (idealerweise) eine unendliche Eingangsimpedanz hat.

Beachten Sie außerdem, dass die Differenzverstärkereingänge unterschiedliche Eingangsimpedanzen aufweisen, was ein eingebauter Nachteil der Konfiguration ist.

1. Nur um die Luft zu reinigen. Wenn ein Operationsverstärker NICHT als Komparator verwendet wird, dh einen negativen Rückkopplungswiderstand hat, gibt er die Differenz zwischen dem (+) und (-) Eingang mal der Verstärkung aus, um (+) und ( -) Eingänge mit der gleichen Spannung. In der realen Welt kann die Eingangsimpedanz eines Operationsverstärkers niemals unendlich oder null Ohm sein, sondern liegt irgendwo dazwischen .

2. Wenn Sie Widerstandswerte verwenden, die viel zu niedrig oder zu hoch sind, kann der Operationsverstärker instabil werden und die Spannung zwischen den Eingängen (+) und (-) ist unbekannt. In der Regel sehen Sie Designs, bei denen der (+) Eingang über einen Widerstand auf Masse bezogen ist und der Operationsverstärker über bipolare Netzteile verfügt. In diesem Fall ist der (-) Eingang eine virtuelle Masse, da der (+) Eingang auf Erdpotential liegt.

3. Bei Single-Ended-Netzteilen ist der (+) Eingang mit Widerständen auf die Hälfte der Versorgungsspannung vorgespannt, sodass am Ausgang ein gleiches Maß an positivem und negativem Swing möglich ist. Und ja, für die Rückkopplungsschleife hat der (-) Eingang ebenfalls die Hälfte der Versorgungsspannung. Jedes Signal wird an diese Vorspannung angelegt und entsprechend dem Verhältnis der Verstärkungs- und Rückkopplungswiderstände verstärkt.

4. Die Eingangsimpedanz wird durch den Wert der verwendeten Widerstände gesteuert, ihre minimalen und maximalen Werte hängen jedoch vom verwendeten Operationsverstärker ab . Ein CA3140T-Operationsverstärker hat eine Eingangsimpedanz von 1,5 Giga Ohm, daher ist die Verwendung von Widerständen im Megaohm-Bereich für Eingang / Rückkopplung in Ordnung. Der Operationsverstärker lädt die Widerstände nicht genug herunter, um eine Rolle zu spielen.

5. Nehmen Sie nun den Operationsverstärker LM324, dessen Eingangsimpedanz etwa 1000-mal niedriger ist. Jetzt werden Sie feststellen, dass Rückkopplungswiderstände über 100K nicht die erwartete Verstärkung aufweisen, da der Operationsverstärker als eigene Last fungiert und den Maximalwert der verwendeten Widerstände stark einschränkt.

6. Ein guter Kompromiss sind JFET-Operationsverstärker wie die TL061 / TL071 / TL081-Serie, die für den Audioeinsatz sehr leise sind und eine Eingangsimpedanz von etwa 100 Megaohm haben. Sie können Widerstände bis zu mehreren Megaohm ohne großen Verstärkungsfehler verwenden. Ein kleiner Nachteil von JFET-Operationsverstärkern ist die Notwendigkeit einer bipolaren Stromversorgung von +/- 5 Volt bis +/- 18 Volt, wobei +/- 12 Volt typisch für die Stromversorgung sind.

7. Operationsverstärker für den HF-Einsatz haben niedrige Eingangsimpedanzen (25 bis 75 Ohm) und Ausgangsimpedanzen und werden mit 5 oder 3,3 Volt betrieben, wobei viele mit +/- 5 Volt versorgt werden. Die niedrigen Impedanzen sind so hoch, dass hohe Frequenzen, manchmal bis zu 1 GHz, die winzige Kapazität der Eingänge laden und entladen und problemlos 75-Ohm- oder 50-Ohm-Koaxialkabel (oder ein Twisted Pair) ansteuern können. Die Vorspannungsströme im Operationsverstärker sind hoch, so dass Signale ohne Widerstand schnell positiv und negativ schwingen können.

Ich könnte ein Buch über Operationsverstärker schreiben, aber andere haben es bereits, einschließlich Artikel auf dieser Seite. Jeder Hersteller von Operationsverstärkern bietet PDFs für die verschiedenen Kategorien an, sodass Sie Jahre damit verbringen können, nur darüber zu lesen.