Ist die Eingangsimpedanz eines Operationsverstärkers (Operationsverstärker) unendlich oder null?

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

Da eine der Eigenschaften eines Kurzschlusses zwischen zwei Punkten darin besteht, dass die Spannung an diesen Punkten Null ist, hielten die Leute, die diese Terminologie erfanden, es (glaube ich) für eine intuitive Sache, das, was zwischen den Eingangsanschlüssen des Operationsverstärkers passiert, als "virtuell" zu bezeichnen kurz". Sie nannten es "virtuell", weil ihm die andere Eigenschaft eines echten (idealen) Kurzschlusses fehlt: beliebig viel Strom ohne Probleme zu verschlingen! Ach, das ist kein kleiner Unterschied! Man hätte das Ding auch weniger verwirrend nennen können ("Prinzip des Spannungsausgleichs"!?!), aber "Prinzip des virtuellen Kurzschlusses" klingt wahrscheinlich cooler! Wer weiß?!

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

Beachten Sie, 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).

EDIT (aufgefordert durch einen Kommentar)

Ich werde versuchen, das, was ich oben gesagt habe, klarer zu machen. Der virtuelle Kurzschluss ist ausschließlich auf zwei Schlüsselfaktoren zurückzuführen, die zusammen kombiniert werden: sehr hohe Verstärkung + negative Rückkopplung.

Lassen Sie uns etwas rechnen, um uns selbst zu überzeugen. Lass uns anrufen$V^+$und$V^-$die Spannungen an den nichtinvertierenden bzw. invertierenden Eingängen des Operationsverstärkers und$V_o$die Ausgangsspannung. Ein echter Operationsverstärker ist in dieser Hinsicht ein Differenzverstärker, dh$V_o = A(V^+-V^-)$, wo$A$ist die Open-Loop-Verstärkung des Operationsverstärkers.

Invertieren Sie diese Beziehung, die Sie erhalten$V^+-V^-=V_o/A$. Also für endlich$V_o$und unendlich$A$, erhalten Sie, dass die Differenz zwischen den Eingängen Null wird.

Wo hat das negative Feedback eine Rolle gespielt? Nirgendwo, bis jetzt!!! Der Haken ist, dass ein echter Operationsverstärker eine negative Rückkopplung benötigt, um zu verhindern, dass sein Ausgang gesättigt wird. In diesem Fall würde das einfache lineare Modell des Operationsverstärkers (dh diese Verstärkungsformel) nicht mehr gelten, außer außerhalb eines sehr kleinen Intervalls von Eingangsspannungen (unter der Annahme von a klassische nicht invertierende Konfiguration wo$V^+$ist die Eingangsspannung und$V^-$ist ein Bruchteil der Ausgabe).

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

Wirklich sehr gute Frage.

Ich denke, vieles davon kann beantwortet werden, indem man sich die Ersatzschaltung eines Operationsverstärkers ansieht.

Bei einem 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 auf irgendeine Weise mit V + oder V- verbunden), entspricht die Spannung an V + 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 Schaltungsklasse haben wir keinen virtuellen Kurzschluss zwischen den beiden gemacht, da dies verwirrend sein kann. Stattdessen haben wir einfach V+ = V- gesagt und das als Gleichung verwendet, um andere Unbekannte zu lösen.

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

Beachten Sie nebenbei, dass die unterschiedlichen Verstärkereingänge 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, mit anderen Worten, er hat einen negativen Rückkopplungswiderstand, dann gibt er die Differenz zwischen dem (+) und (-) Eingang mal der Verstärkung aus, um die (+) und ( -) Eingänge auf gleicher Spannung. In der realen Welt kann die Eingangsimpedanz eines Operationsverstärkers niemals unendlich oder null Ohm sein, sondern liegt irgendwo dazwischen .

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

3. Bei Single-Ended-Netzteilen wird der (+)-Eingang mit Widerständen auf 1/2 der Versorgungsspannung vorgespannt, sodass am Ausgang ein gleicher positiver und negativer Hub möglich ist. Und ja, für die Rückkopplungsschleife liegt der (-) Eingang auch bei 1/2 der Versorgungsspannung. Jedes Signal wird dieser Vorspannung auferlegt und entsprechend dem Verhältnis der Verstärkungs- und Rückkopplungswiderstände verstärkt.

4. Die Eingangsimpedanz wird durch den Wert der verwendeten Widerstände gesteuert, aber ihre Mindest- und Höchstwerte hängen 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/Feedback in Ordnung. Der Operationsverstärker lädt die Widerstände nicht genug herunter, um eine Rolle zu spielen.

5. Nehmen Sie nun den Operationsverstärker LM324, der eine etwa 1.000-mal niedrigere Eingangsimpedanz hat. Jetzt werden Sie feststellen, dass Rückkopplungswiderstände über 100 K beginnen, nicht die erwartete Verstärkung zu haben, da der Operationsverstärker als eigene Last fungiert, was den Maximalwert der verwendbaren Widerstände stark einschränkt.

6. Ein guter Kompromiss sind JFET-Operationsverstärker wie die TL061/TL071/TL081-Serie, die für Audiozwecke 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 Frequenzen, manchmal bis zu 1 GHz, die winzige Kapazität der Eingänge auf- und entladen und problemlos 75-Ohm- oder 50-Ohm-Koaxialkabel (oder ein verdrilltes Paar) ansteuern können. Die Bias-Ströme im Operationsverstärker sind hoch, sodass Signale ohne Widerstand schnell positiv und negativ schwingen können.

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