Operationsverstärker, ihre Impedanz und ihr Stromfluss

Eine unendliche Eingangsimpedanz bedeutet, dass kein Strom in die Eingangsanschlüsse eines idealen Operationsverstärkers fließt . Der ideale Operationsverstärker hat auch eine Ausgangsimpedanz von Null und liefert mit Sicherheit Strom.

Das obige Bild zeigt einen nicht idealen Operationsverstärker in einer invertierenden Konfiguration. Um dies zu idealisieren,$Z_{in1}$Und$Z_{in2}$gleich sind$\infty$, Und$Z_{out}=0$, machen$e_{out}=v_{out}$. Um die idealen Annahmen zu vervollständigen,$A_{OL}$ist die Open-Loop-Verstärkung des Operationsverstärkers und ist gleich$\infty$

Ein OpAmp kann als spannungsgesteuerte Spannungsquelle betrachtet werden. Sie legen an beiden Eingängen eine Spannung an, der OpAmp "misst" die Differenzspannung$v_D$und legt eine Spannung an, die proportional zu ist$v_D$am Ausgang. Die Proportionalität wird durch die Open-Loop-Verstärkung des OpAmp bestimmt. Es ist normalerweise sehr hoch, etwa 1E5, unendlich hoch für einen idealen OpAmp.

Die Energie zum Antrieb des Ausgangs kommt von den Versorgungsschienen, nicht vom Eingang. Das ist der Trick bei einem idealen OpAmp: Er hat Eingänge, in die kein Strom fließt (auch bekannt als hochohmiger Eingang), aber am Ausgang erscheint eine Spannung, die einen gewissen Strom liefern kann (auch bekannt als niederohmiger Ausgang). Es ist also ein Impedanzwandler.

Da die Open-Loop-Verstärkung eines Operationsverstärkers so hoch ist, verwenden Sie ihn normalerweise nicht in dieser Konfiguration für Verstärkerdesigns. Stattdessen wenden Sie negatives Feedback an (Ausgang irgendwie mit invertierendem Eingang verbunden). Bei negativem Feedback können Sie eine weitere wichtige Annahme eines idealen OpAmp treffen:$v_D$ist Null. Das bedeutet, dass der OpAmp den Ausgang auf den Wert treibt, der benötigt wird, um ihn zu erreichen$v_D=0$. Außerdem fließt noch kein Strom in den OpAmp.

Die Eingänge eines idealen Operationsverstärkers mit verwendeter Gegenkopplung zeigen also keinen Stromeinfluss und keine Spannung an ihnen und sind daher weder ein Kurzschluss (keine Spannung, maximaler Strom) noch eine offene Schleife (maximale Spannung, kein Strom).

Denken Sie daran, dass durch das Anwenden einer Gegenkopplung eine Verbindung von der Eingangsseite zur Ausgangsseite eingefügt wird und daher die Eingangs- und Ausgangsimpedanz beeinflusst wird. Der OpAmp ist also nicht mehr der oben erwähnte nahezu ideale Impedanzwandler. Stattdessen müssen Sie die Eingangs- und Ausgangsimpedanz in Abhängigkeit von der Rückkopplungsschaltung analysieren.

Der Ausgangsstrom eines OpAmp sorgt für Überraschungen. Über einen Großteil des nutzbaren Frequenzbereichs gibt es eine 90-Grad-Phasenverschiebung zwischen Vin (die Differenz zwischen Vin+ und VIn-) und Vout. Sie können diese Phasenverschiebung im linken Diagramm unten sehen. Was bewirkt diese Phasenverschiebung? Dadurch erscheint Vout induktiv, insbesondere wenn der Ausgangsstrom mit der Frequenz abfällt.

Fügen Sie einen Kondensator hinzu, und Sie erhalten eine weitere Überraschung: Peaking des Frequenzgangs, oben im rechten Diagramm gezeigt.

In dieser nächsten Reihe von Diagrammen sehen wir links den INDUKTIVEN Zout des OpAmps (mit Blick zurück in die OpAmp-Phase); dann blicken wir zurück in die Cload-Phase und sehen den kombinierten Effekt mit der scharfen Resonanz von Lout und Cload.

Der Ausgangsstrom und die Ausgangsspannung haben andere Überraschungen: thermisches Rauschen und (deterministisches) Rauschen der Stromversorgung. Diese verursachen ein Wackeln des Ausgangs, selbst wenn Vin fixiert ist. In diesem nächsten Screenshot sehen Sie unten rechts nach, um den Fehler von ThermalNoise und von Aggressors zu lesen (der einzige aktivierte Aggressor ist PSI --- Stromversorgungsstörer --- im Kontrollkästchen oben rechts anzeigen). Beachten Sie das thermische Rauschen von 22,8 uV und das Rauschen des Netzteils (60 Hz, 120 Hz) von 15 uV.

Hier ist, was ein 25-uV-Spitzensignal bei 200 Hz mit hinzugefügter 1: 1 (0 dB) Rauschleistung und Signalrauschen in einem 200-Hz-LC-Filter ist. Beachten Sie, dass der größte Teil des OpAmp-Rauschens verschwunden ist. Wir sehen ein gewisses Wandern der Sinuskurve und eine gewisse "Verzerrung", die nur das Rauschen ist, das nicht vollständig entfernt wird, so dass Energie die Sinuskurve stört. Der Operationsverstärker ist sehr nützlich, auf Leiterplatten oder auf Silizium, aber die Physik und Mathematik, die damit verbunden sind, sind es wert, gelernt zu werden, sodass Sie nicht zu viel erwarten und dennoch eine hervorragende Leistung erzielen können.

Hier ist ein Diagramm von Zout über der Frequenz für einen Operationsverstärker mit einer UGBW von 100 MHz. Die Handlung ist besonders interessant, weil der Operationsverstärker einen ChipSelect-Pin hat, also sehen wir Zout mit Ausgangstransistoren, die den Ausgangspin steuern, und mit diesen Transistoren deaktiviert. Bis nahe 500 MHz nähert sich der Zout 30 Ohm, was einer Impedanz von 10 pF entspricht. Beachten Sie auch den Einbruch der Impedanz; 10 pF und 10 nH (Vout-Pin- und VDD-Pin-Induktivitäten) schwingen bei 500 MHz mit.

Ich denke, der 30-Ohm-Zout ist der NPN-Reac parallel zum PNP-Reac, wobei der Reac 0,026 / Ie_ma beträgt, also 0,5 mA 52 Ohm in beiden Emittern erzeugt, die parallel zu 26 Ohm werden.

Das Modell des idealen Operationsverstärkers zeigt eine abhängige Spannungsquelle ohne Ausgangswiderstand als Ausgang des Geräts. Denken Sie daran, dass Sie bei praktischen Geräten 2 Stromversorgungsstifte sehen.

Im Idealfall hat ein Operationsverstärker eine unendliche Eingangsimpedanz (und damit einen Eingangsstrom von null) und eine unendliche Open-Loop-Verstärkung, zusammen mit einem unendlichen Ausgangsspannungsbereich, einer unendlichen Bandbreite und einer Anstiegsgeschwindigkeit und einer Impedanz von null am Ausgang (und damit einem unendlichen Ausgangsstrom) mit null Rauschen. Aber in Wirklichkeit ist das alles andere als wahr. Ein echter Operationsverstärker hat:

1. Hohe, aber endliche Eingangsimpedanz, also ein wenig Eingangsstrom (einige zehn Nanoampere bis nur einige Picoampere, denke ich);
2. Niedrige Ausgangsimpedanz, aber ungleich Null, mit einem Ausgangsstrom von einigen Miniampere bis zu Hunderten von Milliampere (wie 200 mA) für Leistungs-Operationsverstärker;
3. Begrenzte Bandbreite (es ist leicht, eine mit über 2 MHz Bandbreite zu einem kleinen Preis zu finden);
4. Endliche Anstiegsgeschwindigkeit von üblicherweise 5 bis 100 V/Mikrosekunde;
5. Ausgangsspannung auf Eingangsspannung begrenzt.

Überprüfen Sie immer die Datenblätter, bevor Sie eine Komponente kaufen. Das kann Ihnen sogar helfen zu verstehen, was die wichtigen Parameter für eine Art von elektrischem oder elektronischem Bauteil sind.