Что такое входное и выходное сопротивление операционного усилителя?

Я никогда не понимал входное и выходное сопротивление операционного усилителя. Если кто-нибудь может объяснить, что означают эти два термина в операционном усилителе, я очень ценю это. Спасибо!

http://www.eecs.tufts.edu/~dsculley/tutorial/opamps/opamps5.html

operational-amplifier impedance

— user734861
источник

Короткий ответ: входной импеданс "высокий" (в идеале бесконечный). Выходной импеданс «низкий» (в идеале ноль). Но что это значит, и почему это полезно?

Импеданс - это соотношение между напряжением и током. Это комбинация сопротивления (не зависит от частоты, резисторы) и реактивного сопротивления (зависит от частоты, индуктивности и конденсаторы). Чтобы упростить обсуждение, давайте просто предположим, что все наши импедансы являются чисто резистивными, поэтому импеданс = сопротивление.

Вы уже знаете, что сопротивление связывает напряжение и ток по закону Ома:

E = I R

$E = IR$

или, может быть

R = \frac{E}{I}

$R = \frac{E}{I}$

То есть один ом означает, что за каждый вольт вы получаете один ампер. Мы знаем , что если у нас есть резистор , и у нас есть ток , то напряжение должно быть . $100\Omega$ $1A$ $100V$

Понятие «входной» и «выходной» импедансы - это почти одно и то же, за исключением того, что мы имеем дело только с относительным изменением напряжения и тока. То есть:

R = \frac{\partial E}{\partial I}

$R = \frac{\partial E}{\partial I}$

Если мы говорим о входном импедансе операционного усилителя, мы говорим о том, сколько тока будет течь при увеличении напряжения (или насколько меньше будет течь при уменьшении напряжения). Так сказать , на вход ОУ был , и вы измерили ток , требуемый от источника сигнала для разработки этого напряжения , чтобы быть . Затем вы изменили источник так, что на операционном усилителе появилось , а ток был . Затем вы можете рассчитать входное сопротивление операционного усилителя как: $1V$ $1\mu A$ $3V$ $2\mu A$

\frac{(3 V - 1 V)}{2 μ A - 1 μ A} = 2 M Ω

$\frac{(3V-1V)}{2\mu A-1\mu A} = 2 M\Omega$

Как правило, очень высокий входной импеданс операционных усилителей желателен, потому что это означает, что для создания напряжения требуется очень маленький ток от источника. То есть операционный усилитель не сильно отличается от разомкнутой цепи, где для создания напряжения не требуется ток, поскольку полное сопротивление разомкнутой цепи бесконечно.

Выходной импеданс - это то же самое, но сейчас мы говорим о том, насколько изменяется кажущееся напряжение источника по мере того, как оно требуется для подачи большего тока. Вы, вероятно, заметили, что батарея под нагрузкой имеет более низкое напряжение, чем та же батарея без нагрузки. Это источник сопротивления в действии.

Допустим, вы установили на свой операционный усилитель 5 В и измеряете напряжение с помощью разомкнутой цепи ¹ . Ток будет (потому что цепь разомкнута), а измеряемое вами напряжение будет 5В. Теперь вы подключаете резистор к выходу, так что ток на выходе операционного усилителя составляет . Вы измерить напряжение на этом резисторе , и найти его , чтобы быть . Затем вы можете рассчитать выходное сопротивление операционного усилителя как: $0A$ $50mA$ $4.99V$

- \frac{5 V - 4.99 V}{0 m A - 50 m A} = 0.2 Ω

$- \frac{5V - 4.99V}{0mA - 50mA} = 0.2\Omega$

Вы заметите, что я изменил знак результата. Это будет иметь смысл, почему позже. Этот низкий импеданс источника означает, что операционный усилитель может подавать (или поглощать) большой ток без значительного изменения напряжения.

Здесь следует сделать несколько замечаний. Входной импеданс операционного усилителя выглядит как импеданс нагрузки для всего, что подтверждает сигнал операционного усилителя. Выходной импеданс операционного усилителя выглядит как импеданс источника для всего, что получает сигнал от операционного усилителя.

Говорят, что источник, управляющий нагрузкой с относительно низким импедансом нагрузки, сильно нагружен , и для сигнала напряжения потребуется большой ток. Если импеданс источника низкий, источник сможет подавать этот ток без падения напряжения.

Если вы хотите минимизировать падение напряжения, тогда сопротивление источника должно быть намного меньше, чем сопротивление нагрузки. Это называется мостовым сопротивлением . Это обычное дело, потому что мы обычно представляем сигналы как напряжения, и мы хотим передать эти напряжения без изменений с одной ступени на другую. Высокое сопротивление нагрузки также означает, что не будет большого тока, что также означает меньшую мощность.

Идеальный операционный усилитель имеет бесконечный входной импеданс и нулевой выходной импеданс, потому что можно легко уменьшить входной импеданс (поставить резистор параллельно) или повысить импеданс источника (резистор включить последовательно). Не так легко пойти другим путем; вам нужно что-то, что может усилиться. Операционный усилитель в качестве повторителя напряжения является одним из способов преобразования высокого импеданса источника в низкий импеданс источника.

Наконец, теорема Тевенина гласит, что мы можем преобразовать практически любую линейную электрическую сеть в источник напряжения и резистор:

схематический

Фактически, «полное сопротивление источника» может быть определено как эквивалентное сопротивление , здесь . Это работает и для нагрузок. Но если вы уже не знаете теорему Тевенина, говорить об этом бесполезно. Однако, понимая, что такое источник и импедансы нагрузки, теорема Тевенина означает, что вы можете рассчитать импеданс для линейных сетей, независимо от сложности. $R_{th}$

^{1: это на самом деле невозможно, потому что вы должны подключить оба провода вашего вольтметра к цепи, тем самым завершив это! Но у вашего вольтметра очень высокий импеданс, поэтому он достаточно близок к разомкнутой цепи, и мы можем считать его таким.}

— Фил Фрост
источник

Во-первых, важно различать входной и выходной импеданс собственно операционного усилителя и входной и выходной импеданс схемы операционного усилителя .

Идеальный операционный усилитель имеет бесконечный входной импеданс. Это означает, что не может быть никакого тока в или из инвертирующих и неинвертирующих входных клемм

Идеальный операционный усилитель имеет нулевой выходной импеданс. Это означает, что выходное напряжение не зависит от выходного тока.

Реальные физические операционные усилители только приближают этот идеал и имеют очень большое входное сопротивление и очень низкое выходное сопротивление.

Когда операционный усилитель является частью схемы, такой как усилитель, фильтр и т. Д., Входной импеданс схемы, как правило, будет отличаться от входного импеданса собственно операционного усилителя.

В цепи на линии вход подключен непосредственно к неинвертирующему входу, поэтому входное сопротивление (эффективно) бесконечно.

Кроме того, выход подключен непосредственно к выходу операционного усилителя, поэтому выходное сопротивление равно (приблизительно) нулю.

— Альфред Центавра
источник

можно ли сказать, что входной импеданс означает, какое сопротивление / импеданс видит вход или источник, глядя наружу, тогда как выходной импеданс означает, что выход нагрузки видит, глядя на источник?

— user734861

@ user734861, это разумный способ выразить это.

— Альфред Центавра

Операционные усилители обычно используются в ситуациях, когда входной импеданс должен быть огромным по сравнению с другими импедансами на входном выводе, и когда путь обратной связи должен сделать эффективное выходное сопротивление бесконечно малым по сравнению с внешними импедансами. Характер приложения будет определять, насколько хорош операционный усилитель, чтобы соответствовать этим требованиям.

— суперкат

"очень низкий выходной импеданс." => большинство операционных усилителей имеют выходной импеданс не менее 100 Ом, а некоторые, особенно CMOS / RRIO, находятся в области 500–800 Ом [потому что в них часто используются VCCS-подобные выходные каскады, а также из-за плохой проводимости MOS] , При типичном усилении контура это все еще приводит к выходному импедансу << 1 Ом, по крайней мере, для низких частот.

— dom0