Czy impedancja wejściowa wzmacniacza operacyjnego (wzmacniacza operacyjnego) jest nieskończona czy zerowa?

11

Idealnie impedancja wejściowa jest nieskończona.

Jednak przy obliczaniu rezystancji wejściowej (Rin) wzmacniacza różnicowego autor przyjął koncepcję zwarcia dwóch zacisków wejściowych, co również jest prawdą, ponieważ wzmocnienie otwartej pętli jest nieskończone. (To z kolei wymaga, aby różnica między napięciami na zaciskach wejściowych wynosiła zero. Stąd zwarcie.)

MOJE Pytanie: Dlaczego rozważamy zerowy prąd wejściowy w kilku przypadkach (z powodu nieskończonej impedancji wejściowej), a czasem rozważamy prąd skończony przyjmując koncepcję zwarcia? Czy istnieje logika, czy to tylko wygoda?

Oto wycięty schemat z książki:

wprowadź opis zdjęcia tutaj

operational-amplifier amplifier input-impedance

— elektronika
źródło

1

Nie, nie ma między nimi prawdziwej zwarcia. To po prostu znacznie ułatwia obliczenia. W rzeczywistości sprzężenie zwrotne z wyjścia dostarcza prąd, aby zmusić drugi pin do tej samej wartości.

— winny

3

@winny ma rację, pamiętaj, że na powyższym schemacie nadal nie ma prądu płynącego do zacisków + lub - tam, te wejścia (najlepiej) nadal mają nieskończoną impedancję. Jednak w tej konfiguracji w opornikach wejściowych płyną prądy, dostarczane przez rezystor sprzężenia zwrotnego i napięcie źródła. To, że wzmacniacz ma nieskończoną impedancję wejściową, nie oznacza, że każdy zbudowany z nim obwód będzie miał nieskończoną impedancję na swoich zaciskach wejściowych.

— John D,

To „wirtualne zwarcie” jest dość mylące, ponieważ sugeruje, że pewien prąd przepływa między wejściami V + i V-.

— TEMLIB,

14

W rzeczywistości terminologia może być myląca dla początkujących. Termin „wirtualne zwarcie” odnosi się do faktu, że w obwodzie opampa z ujemnym sprzężeniem zwrotnym obwód jest ułożony w taki sposób (idealnie), że napięcie na dwóch wejściach opamp wynosi zero.

Od jedną z właściwości zwarcia między dwoma punktami jest to, że napięcie w tych punktach wynosi zero, ludzie, którzy wymyślili tę terminologię, uważali (tak sądzę) za intuicyjne nazywanie tego, co dzieje się między zaciskami wejściowymi opampa, „wirtualnym” krótki". Nazwali go „wirtualnym”, ponieważ nie ma innej właściwości prawdziwego (idealnego) skrótu: pochłaniać dowolną ilość prądu bez problemów! Niestety, to nie jest mała różnica! Mogliby to nazwać w mniej mylący sposób („zasada równoważenia napięcia”!??!), Ale „wirtualna krótka zasada” brzmi prawdopodobnie lepiej! Kto wie?!

Kiedy więc mówimy, że między dwoma wejściami jest wirtualny zwarcie , jest to po prostu łatwy i konwencjonalny sposób stwierdzenia, że obwód dąży do zrównoważenia napięć na wejściach, tj. Próbuje je wyrównać i utrzymać na tym samym poziomie.

Zauważ, że istnienie „wirtualnego zwarcia” jest właściwością obwodu, a nie opampa (chociaż wykorzystuje idealnie nieskończone wzmocnienie opampa), podczas gdy fakt, że żaden prąd nie wpływa do wejść, jest własnością opampa (idealnie).

EDYTOWAĆ (monit o komentarz)

Spróbuję wyjaśnić to, co powiedziałem powyżej. Wirtualny skrót wynika wyłącznie z dwóch kluczowych czynników połączonych razem: bardzo wysoki zysk + ujemne sprzężenie zwrotne.

$V^+$ $V^-$ $V_o$ $V_o = A(V^+-V^-)$ $A$

$V^+-V^-=V_o/A$ $V_o$ $A$ , otrzymujesz, że różnica między wejściami staje się zerowa.

$V^+$ $V^-$

Zastosuj ujemne sprzężenie zwrotne, a otrzymasz zerową różnicę napięcia na wejściach w znacznym zakresie napięć wejściowych .

— Lorenzo Donati - Codidact.org
źródło

dodając: działanie wzmacniacza operacyjnego jako różnicowego wzmacniacza różnicowego o bardzo dużym wzmocnieniu i bardzo wysokiej impedancji wejściowej sprzężonego z pętlą sprzężenia zwrotnego między wyjściami a zaciskami końcowymi jest dokładnie tym , co doprowadza różnicowe napięcie wejściowe do zera

— oldrinb

Ten sam potencjał, stąd brak napięcia: może węzły ekwipotencjalne ?

— Magic Smoke

@oldrinb faktycznie impedancja wejściowa opampa nie odgrywa roli w osiągnięciu zwarcia wirtualnego. Kluczowymi czynnikami są bardzo duży zysk + ujemne sprzężenie zwrotne.

— Lorenzo Donati - Codidact.org

5

Rzeczywiście bardzo dobre pytanie.

Myślę, że na to wiele można odpowiedzieć, patrząc na równoważny obwód wzmacniacza operacyjnego.

Dla idealnego wzmacniacza operacyjnego prąd płynący do V + i V- wynosi zero, więc oznacza to, że Rin musi być nieskończony.

Kiedy idealny wzmacniacz operacyjny jest ustawiony w układzie sprzężenia zwrotnego (Vout jest w jakiś sposób podłączony do V + lub V-), napięcie w V + będzie równe V-. Podręcznik symuluje V + równe V-, tworząc tam wirtualny skrót. Impedancja wejściowa wzmacniacza operacyjnego jest wciąż nieskończona!

W mojej klasie obwodów nie dokonaliśmy wirtualnego zwarcia między nimi, ponieważ może to być mylące. Zamiast tego właśnie powiedzieliśmy V + = V- i zastosowaliśmy to jako równanie do rozwiązania innych niewiadomych.

— Addison
źródło

3

Nie „tworzysz” wirtualnego skrótu. Jest to po prostu przydatna koncepcja opisania wzmacniacza operacyjnego w sytuacji negatywnego sprzężenia zwrotnego. „Krótki” jest tworzony przez wzmacniacz operacyjny robiąc wszystko, co w jego mocy, aby V + = V-, przy założeniu normalnych warunków pracy. Jeśli wzmacniacz operacyjny działa jak komparator, przy czym V + i V- są elektrycznie odizolowane od Vo, wówczas V + zwykle nie będzie równe V-.

— jbord39,

Nie sugerowałem, że związek między V + i V- jest fizyczny. Powiedziałem, że podręcznik symuluje to, robiąc wirtualny skrót, który jest poprawny. Przez „wykonanie wirtualnego skrótu”, oznacza to narysowanie linii od V + do V-, aby przedstawić V + równe V-.

— Addison,

3

„Ponieważ przez Rin nie przepływa prąd, napięcie w V + musi być równe V-” - To nie jest prawda. Podłącz 1k b / w V + i V- i umieść V + @ dodatnie zasilanie i V- na ziemi. Wyjściem będzie szyna dodatnia. V + nie będzie równe V-. Powodem, dla którego V + jest zwykle równy V-, jest to, że wzmacniacz operacyjny jest ustawiony w układzie sprzężenia zwrotnego, który próbuje zminimalizować różnicę między V + i V-. Chodzi mi o to, że ślepo stosuję równania bez zrozumienia, że ich cel będzie wprowadzający w błąd.

— jbord39

Masz rację. Moje rozumowanie za V + równym V- jest ważne tylko w układzie sprzężenia zwrotnego. Poprawiłem swój post.

— Addison,

3

Krótko mówiąc, istnieje różnica między impedancją wejściową wzmacniacza operacyjnego, a impedancją wejściową całego obwodu wzmacniacza . Nawet pod względem pokazanego wzmacniacza różnicowego nie ma prądu wchodzącego do wzmacniacza operacyjnego, który (idealnie) ma nieskończoną impedancję wejściową.

Nawiasem mówiąc, należy zauważyć, że różnicowe wejścia wzmacniacza widzą różne impedancje wejściowe, co jest wbudowaną wadą konfiguracji.

— Scott Seidman
źródło

3

Żeby oczyścić powietrze. Jeśli wzmacniacz operacyjny NIE jest używany jako komparator, innymi słowy, ma rezystor ujemnego sprzężenia zwrotnego, wówczas wyświetli różnicę między wejściowymi (+) i (-) razy wzmocnienia, aby zachować (+) i ( -) wejścia o tym samym napięciu. W prawdziwym świecie impedancja wejściowa wzmacniacza operacyjnego nigdy nie może być nieskończona lub zerowa, ale jest gdzieś pomiędzy .
Jeśli użyjesz wartości rezystorów znacznie zbyt niskich lub wysokich, wzmacniacz operacyjny może stać się niestabilny, a napięcie między wejściami (+) i (-) jest nieznane. Zazwyczaj widzisz projekty, w których wejście (+) jest odniesione do ziemi przez rezystor, a wzmacniacz operacyjny ma dwubiegunowe zasilacze. W takim przypadku wejście (-) będzie wirtualnym uziemieniem, ponieważ wejście (+) ma potencjał masy.
W przypadku zasilaczy jednoczęściowych wejście (+) jest obciążane rezystorami do 1/2 napięcia zasilania, więc wyjście ma taką samą możliwą wartość dodatniego i ujemnego wahania. I tak, zrób pętlę sprzężenia zwrotnego, wejście (-) również będzie miało 1/2 napięcia zasilania. Każdy sygnał jest wywierany na to napięcie polaryzacji i wzmacniany zgodnie ze stosunkiem rezystorów wzmocnienia i sprzężenia zwrotnego.
Impedancja wejściowa jest kontrolowana przez wartość zastosowanych rezystorów, ale ich wartości minimalne i maksymalne zależą od zastosowanego wzmacniacza operacyjnego . Wzmacniacz operacyjny CA3140T ma impedancję wejściową równą 1,5 Giga, więc użycie rezystorów w zakresie megaomów dla wejścia / sprzężenia zwrotnego jest OK. Wzmacniacz operacyjny nie obciąża rezystorów na tyle, by mieć znaczenie.
Teraz weźmy wzmacniacz operacyjny LM324, którego impedancja wejściowa jest około 1000 razy niższa. Teraz dowiesz się, że rezystory sprzężenia zwrotnego powyżej 100 K zaczynają nie oczekiwać oczekiwanego wzmocnienia, ponieważ wzmacniacz operacyjny działa jak własny ładunek, co surowo ogranicza maksymalną wartość rezystorów, które można zastosować.
Dobrym kompromisem są wzmacniacze operacyjne JFET, takie jak seria TL061 / TL071 / TL081, które są bardzo ciche w zastosowaniach audio i mają impedancję wejściową wynoszącą około 100 megomów. Możesz użyć rezystorów do kilku megaomów bez większego błędu wzmocnienia. Jedną niewielką wadą wzmacniaczy operacyjnych JFET jest potrzeba bipolarnego zasilania od +/- 5 woltów do +/- 18 woltów, przy czym +/- 12 woltów jest typowe dla mocy.
Wzmacniacze operacyjne do zastosowań RF mają niską impedancję wejściową (od 25 do 75 omów) i impedancję wyjściową i są zasilane napięciem 5 lub 3,3 V, przy czym wiele z nich ma zasilanie +/- 5 V. Niskie impedancje są tak wysokie częstotliwości, czasami do 1 GHZ, mogą z łatwością ładować i rozładowywać niewielką pojemność wejść i z łatwością poprowadzić kable koncentryczne 75 omów lub 50 omów (lub skrętkę). Prądy polaryzacji we wzmacniaczu operacyjnym są wysokie, więc sygnały mogą szybko wahać się dodatnio i ujemnie, bez przeciągania.

Mógłbym napisać książkę o wzmacniaczach operacyjnych, ale inne już to zrobiły, w tym artykuły na tej stronie. Każdy producent wzmacniaczy operacyjnych oferuje pliki PDF dla różnych kategorii, które tworzą, dzięki czemu możesz spędzić lata czytając o nich.

— Sparky256
źródło