Die kurze Antwort: Die Eingangsimpedanz ist "hoch" (idealerweise unendlich). Die Ausgangsimpedanz ist "niedrig" (idealerweise Null). Aber was bedeutet das und warum ist das sinnvoll?
Die Impedanz ist das Verhältnis zwischen Spannung und Strom. Es ist eine Kombination aus Widerstand (frequenzunabhängig, Widerstände) und Reaktanz (frequenzabhängig, Induktivitäten und Kondensatoren). Um die Diskussion zu vereinfachen, nehmen wir einfach an, dass alle unsere Impedanzen rein resistiv sind, also Impedanz = Widerstand.
Sie wissen bereits, dass der Widerstand nach dem Ohmschen Gesetz Spannung und Strom in Beziehung setzt:
E=IR
oder vielleicht
R=EI
Ein Ohm bedeutet, dass Sie für jedes Volt ein Ampere erhalten. Wir wissen, dass wenn wir einen Widerstand von und einen Strom von , die Spannung muss .100Ω1A100V
Das Konzept der "Eingangs" - und "Ausgangs" -Impedanz ist fast dasselbe, außer dass wir uns nur mit der relativen Änderung von Spannung und Strom befassen . Das ist:
R=∂E∂I
Wenn wir über die Eingangsimpedanz eines Operationsverstärkers sprechen, sprechen wir darüber, wie viel mehr Strom fließt, wenn die Spannung erhöht wird (oder wie viel weniger Strom fließt, wenn die Spannung verringert wird). Angenommen, der Eingang eines Operationsverstärkers war , und Sie haben den Strom gemessen, der von der Signalquelle benötigt wird, um diese Spannung auf . Dann haben Sie die Quelle so geändert, dass am Operationsverstärker angezeigt wurden und der Strom nun betrug . Sie können dann die Eingangsimpedanz des Operationsverstärkers wie folgt berechnen:1V1μA3V2μA
(3V−1V)2μA−1μA=2MΩ
Typischerweise ist eine sehr hohe Eingangsimpedanz von Operationsverstärkern wünschenswert, da dies bedeutet, dass sehr wenig Strom von der Quelle benötigt wird, um eine Spannung zu erzeugen. Das heißt, ein Operationsverstärker sieht nicht viel anders aus als ein offener Stromkreis, bei dem kein Strom benötigt wird, um eine Spannung zu erzeugen, da die Impedanz eines offenen Stromkreises unendlich ist.
Die Ausgangsimpedanz ist dasselbe, aber jetzt geht es darum, wie stark sich die scheinbare Spannung der Quelle ändert, wenn mehr Strom zugeführt werden muss. Sie haben wahrscheinlich beobachtet, dass eine Batterie unter Last eine niedrigere Spannung aufweist als dieselbe Batterie, die nicht unter Last steht. Dies ist die Quellimpedanz in Aktion.
Angenommen, Sie stellen Ihren Operationsverstärker auf 5 V ein und messen die Spannung bei offenem Stromkreis 1 . Der Strom beträgt (weil der Stromkreis offen ist) und die von Ihnen gemessene Spannung 5V. Jetzt schließen Sie einen Widerstand an den Ausgang an, so dass der Strom am Ausgang des Operationsverstärkers beträgt . Sie messen die Spannung an diesem Widerstand und stellen fest, dass sie . Sie können dann die Ausgangsimpedanz des Operationsverstärkers wie folgt berechnen:0A50mA4.99V
−5V−4.99V0mA−50mA=0.2Ω
Sie werden feststellen, dass ich das Vorzeichen des Ergebnisses geändert habe. Es wird später Sinn machen, warum. Diese niedrige Quellenimpedanz bedeutet, dass der Operationsverstärker viel Strom liefern (oder senken) kann, ohne dass sich die Spannung stark ändert.
Hier sind einige Bemerkungen zu machen. Die Eingangsimpedanz des Operationsverstärkers sieht aus wie die Lastimpedanz für alles, was das Signal für den Operationsverstärker liefert. Die Ausgangsimpedanz des Operationsverstärkers sieht aus wie die Quellenimpedanz für alles, was das Signal vom Operationsverstärker empfängt.
Eine Quelle, die eine Last mit einer relativ niedrigen Lastimpedanz antreibt, wird als stark belastet bezeichnet , und ein Spannungssignal erfordert einen hohen Strom. In dem Maße, in dem die Quellenimpedanz niedrig ist, kann die Quelle diesen Strom liefern, ohne dass die Spannung nachgibt.
Wenn Sie den Spannungsabfall minimieren möchten, sollte die Quellenimpedanz viel geringer sein als die Lastimpedanz. Dies wird Impedanzüberbrückung genannt . Dies ist eine gängige Vorgehensweise, da wir Signale üblicherweise als Spannungen darstellen und diese Spannungen unverändert von einer Stufe zur nächsten übertragen möchten. Eine hohe Lastimpedanz bedeutet auch, dass nicht viel Strom fließt, was auch weniger Leistung bedeutet.
Der ideale Operationsverstärker hat eine unendliche Eingangsimpedanz und eine Ausgangsimpedanz von Null, da es einfach ist, die Eingangsimpedanz zu senken (einen Widerstand parallel zu schalten) oder die Quellenimpedanz zu erhöhen (einen Widerstand in Reihe zu schalten). Es ist nicht so einfach, den anderen Weg zu gehen. Sie brauchen etwas, das sich verstärken kann. Ein Operationsverstärker als Spannungsfolger ist eine Möglichkeit, eine hohe Quellenimpedanz in eine niedrige Quellenimpedanz umzuwandeln.
Schließlich besagt der Satz von Thévenin , dass wir nahezu jedes lineare elektrische Netzwerk in eine Spannungsquelle und einen Widerstand umwandeln können:
Tatsächlich kann "Quellenimpedanz" hier als der Thévenin-Ersatzwiderstand werden. Es funktioniert auch für Lasten. Aber es sei denn, Sie kennen bereits den Satz von Thévenin, ist dies keine nützliche Aussage. Wenn Sie jedoch wissen, was Quellen- und Lastimpedanzen sind, können Sie mit dem Satz von Thévenin eine Impedanz für lineare Netzwerke berechnen, unabhängig von deren Komplexität.Rth
1: Das ist eigentlich nicht möglich, weil Sie beide Leitungen Ihres Voltmeters an den Stromkreis anschließen müssen, um ihn zu vervollständigen! Ihr Voltmeter hat jedoch eine sehr hohe Impedanz, sodass es nahe genug an einem offenen Stromkreis liegt, den wir für möglich halten.
