Eingangsimpedanz eines Operationsverstärkers

Es ist eine der Regeln. Für einen idealen Operationsverstärker gilt das

• Eingangsimpedanz ist unendlich (Eingangsstrom ist Null)
• Gewinn ist unendlich
• Ausgangsimpedanz ist Null
• Eingangsoffsetspannung ist Null

Wenn diese Anforderungen nicht erfüllt sind, würden mehrere grundlegende Operationsverstärkerschaltungen nicht funktionieren. Nehmen Sie zum Beispiel den invertierenden Verstärker.

Die Übertragungsfunktion ist

$\mathrm{V_{OUT} = - \dfrac{R_f}{R_{IN}} \cdot V_{IN}}$

wie in dieser Antwort abgeleitet . Der Beweis beruht auf der unendlichen Eingangsimpedanz, aber Sie können die Übertragungsfunktion nicht erklären, wenn beide Eingänge gleich sind, da dies keine Eigenschaft des Operationsverstärkers ist! Sogenannte Beweise, die davon ausgehen, dass der invertierende Eingang auf Masse liegt, sind ungültig.

Beachten Sie, dass Operationsverstärker mit FET-Eingang besser abschneiden als ihre Gegenstücke mit BJT-Eingang. Ersteres hat einen Eingangsstrom von pA, während dies für letzteres mehrere sein kann$\mu$A.

Weiterführende Literatur:
Opamps für alle

Eine sehr hohe Eingangsimpedanz bringt uns einem idealen Operationsverstärker näher. Die Eigenschaften eines idealen Operationsverstärkers sind:

• Unendliche Bandbreite
• Unendlicher Gewinn
• Unendlicher Eingangswiderstand

Der ideale Operationsverstärker existiert, weil seine Verwendung als Grundlage für die Analyse mehrere lohnende Abkürzungen bietet, die die damit verbundene Mathematik vereinfachen. Der unendliche Eingangswiderstand ist wichtig, weil er dafür sorgt, dass kein Strom in den Operationsverstärker fließt. Dies vereinfacht die Analyse von rückgekoppelten Operationsverstärkerschaltungen.

Außerdem ist unter den meisten Umständen eine hohe Eingangsimpedanz wünschenswert. Es ermöglicht, dass ein Signal mit sehr schwacher Ansteuerung vom Operationsverstärker korrekt gelesen und verstärkt wird. Wenn es eine niedrige Eingangsimpedanz hätte, würde der Operationsverstärker die Spannung des schwachen Signals herunterziehen und es nicht richtig verstärken.

Je höher die Eingangsimpedanz, desto unwahrscheinlicher ist es, dass der Operationsverstärker selbst das Eingangssignal beeinflusst.

Stellen Sie sich Eingangs- und Ausgangsimpedanz als Spannungsteiler aus zwei Widerständen vor. Die Eingangsimpedanz des Operationsverstärkers ist der untere Widerstand, während die Ausgangsimpedanz des Geräts, das den Operationsverstärker speist, der hohe Widerstand ist.

Der beste Fall ist, wenn die Ausgangsimpedanz super niedrig ist, während die Eingangsimpedanz super hoch ist. In diesem Fall senkt der Spannungsteiler die Spannung kaum.

Der schlimmste Fall ist, wenn die Ausgangsimpedanz super hoch und die Eingangsimpedanz super niedrig ist. Dann könnte das Signal auf 1/100 der ursprünglichen Spannung oder noch schlimmer heruntergeteilt werden!

Es ist also besser, wenn der Eingang zum Operationsverstärker die höchstmögliche Impedanz hat.

Es gibt Fälle, in denen Sie möglicherweise eine niedrigere Eingangsimpedanz wünschen. Aber in diesen Fällen legen Sie normalerweise nur einen Lastwiderstand auf das Eingangssignal und verlassen sich nicht darauf, dass der Operationsverstärker dies für Sie erledigt. Ihr Lastwiderstand (oder Abschlusswiderstand oder was auch immer) hat höhere Toleranzen als die, die Ihnen der Operationsverstärker normalerweise gibt.

Die Antworten sind alle gut, aber dahinter steckt ein grundlegenderes und wichtigeres Konzept, das teilweise von David erklärt wurde.

Der Operationsverstärker, zumindest die gebräuchlichste Art von Operationsverstärker, ist eine Komponente mit Spannungseingang und Spannungsausgang: Das bedeutet, dass er eine Spannung als Eingang nimmt, einige Operationen ausführt und eine andere Spannung ausspuckt.

Das Lesen einer Spannung erfordert das Anschließen eines Instruments an die Spannungsquelle, wie Sie es mit einem Voltmeter tun würden: Dieses Instrument muss parallel zur Quelle selbst geschaltet werden (muss dieselbe Spannung ablesen) und wird einen Strom sehen, der davon abhängt vom Eingangswiderstand des Instruments selbst, in diesem Fall des Operationsverstärkers. Der Strom fließt auch über den Ausgangswiderstand der Quelle, wie im Bild gezeigt:

Der Strom am Widerstand verursacht einen Abfall der Eingangsspannung des Operationsverstärkers, der nicht mehr der Quelle entspricht: Das wollen wir nicht.

Wenn also der Operationsverstärker einen unendlichen Widerstand hat, ist der Strom am Eingang Null und die Lesespannung wie gewünscht Vg. Das ist natürlich eine ideale Bedingung, aber je höher desto besser.