Входной импеданс операционного усилителя (операционного усилителя) бесконечен или равен нулю?

В идеале входное сопротивление бесконечно.

Но при расчете входного сопротивления (Rin) разностного усилителя автор исходил из того, что две входные клеммы замкнуты накоротко, что также верно, поскольку коэффициент усиления разомкнутого контура бесконечен. (Что, в свою очередь, требует, чтобы разница между напряжениями входных клемм была равна нулю. Следовательно, короткое замыкание.)

МОЙ Вопрос: Почему мы рассматриваем нулевой входной ток в нескольких случаях (из-за бесконечного входного сопротивления), а иногда рассматриваем конечный ток, принимая концепцию короткого замыкания? Есть логика или это просто удобство?

Это вырезанная принципиальная схема из книги:

Терминология может вводить в заблуждение новичка, на самом деле. Термин «виртуальное короткое замыкание» относится к тому факту, что в цепи операционного усилителя с отрицательной обратной связью схема устроена таким образом, что (в идеале) обнуляет напряжение на двух входах операционного усилителя.

Поскольку одним из свойств короткого замыкания между двумя точками является то, что напряжение на этих точках равно нулю, люди, которые изобрели эту терминологию, считали (я полагаю) интуитивно понятным называть то, что происходит между входными клеммами операционного усилителя, «виртуальным». короткая". Они назвали его «виртуальным», потому что ему не хватает другого свойства реального (идеального) короткого замыкания: сожрать любое количество тока без проблем! Увы, это не маленькая разница! Они могли бы назвать эту вещь в менее запутанной форме («принцип балансировки напряжения»!?!), Но «принцип виртуального короткого замыкания» звучит круче, наверное! Кто знает?!

Итак, когда мы говорим, что между двумя входами есть виртуальное короткое замыкание , это просто и обычный способ сказать, что схема стремится сбалансировать напряжения на входах, то есть она пытается их поднять и поддерживать их равными.

Обратите внимание, что существование «виртуального короткого замыкания» является свойством схемы, а не операционного усилителя (хотя оно использует идеально бесконечное усиление операционного усилителя), тогда как тот факт, что ток не поступает на входы, является свойством операционного усилителя. (в идеале).

РЕДАКТИРОВАТЬ (подсказано комментарием)

Я постараюсь прояснить то, что я сказал выше. Виртуальное короткое замыкание обусловлено исключительно двумя ключевыми факторами: очень высокий коэффициент усиления + отрицательная обратная связь.

Давайте сделаем немного математики убедить себя. Назовем и V - напряжения на неинвертирующих и инвертирующих входах операционного усилителя соответственно и V o на выходном напряжении. В этом отношении реальным операционным усилителем является дифференциальный усилитель, т.е. V o = A ( V + - V - ) , где A - коэффициент усиления операционного усилителя в разомкнутом контуре.$V^+$$V^-$$V_o$$V_o = A(V^+-V^-)$$A$

Обращая эти отношения вы получите . Таким образом, для конечного и бесконечного$V^+-V^-=V_o/A$$V_o$$A$ вы получите, что разница между входами становится равной нулю.

$V^+$$V^-$

Подайте отрицательную обратную связь, и вы получите нулевое дифференциальное напряжение на входах в значимом диапазоне входных напряжений .

Очень хороший вопрос.

Я думаю, что на это можно ответить, посмотрев на эквивалентную схему операционного усилителя.

Для идеального операционного усилителя ток, протекающий в V + и V-, равен нулю, поэтому это означает, что Rin должен быть бесконечным.

Когда идеальный операционный усилитель настроен в схеме обратной связи (Vout каким-либо образом подключен к V + или V-), напряжение на V + будет равно V-. Учебник имитирует V + равным V-, делая там виртуальное короткое замыкание. Входной импеданс операционного усилителя бесконечен!

В моем классе микросхем мы не делали виртуальное короткое замыкание между ними, потому что это может сбивать с толку. Вместо этого мы просто сказали V + = V- и использовали это как уравнение для решения других неизвестных.

Короче говоря, есть разница между входным сопротивлением операционного усилителя и входным сопротивлением всей схемы усилителя . Даже в терминах diff amp, которые вы показываете, в операционном усилителе нет тока, который (в идеале) имеет бесконечный входной импеданс.

Кроме того, обратите внимание, что входы разностного усилителя видят разные входные сопротивления, что является встроенным недостатком конфигурации.

1. Просто чтобы очистить воздух. Если операционный усилитель НЕ используется в качестве компаратора, другими словами, он имеет резистор с отрицательной обратной связью, то он выведет разницу между (+) и (-), умноженную на коэффициент усиления, чтобы сохранить (+) и ( -) входы при одинаковом напряжении. В реальном мире входной импеданс операционного усилителя никогда не может быть бесконечным или равным нулю, но находится где-то посередине .

2. Если вы используете значения резисторов слишком низкие или высокие, то операционный усилитель может стать нестабильным, а напряжение между (+) и (-) входами неизвестно. Как правило, вы увидите схемы, в которых вход (+) заземлен через резистор, а операционный усилитель оснащен биполярным источником питания. В этом случае вход (-) будет виртуальным заземлением, поскольку вход (+) имеет потенциал земли.

3. В случае несимметричных источников питания на входе (+) резисторы смещены до 1/2 напряжения питания, поэтому на выходе возможны одинаковые положительные и отрицательные отклонения. И да, сделайте так, чтобы в цепи обратной связи вход (-) также был на 1/2 напряжения питания. Любой сигнал накладывается на это напряжение смещения и усиливается в соответствии с соотношением резисторов усиления и обратной связи.

4. Входной импеданс регулируется значением используемых резисторов, но их минимальные и максимальные значения зависят от используемого операционного усилителя . Операционный усилитель CA3140T имеет входной импеданс 1,5 Гига, поэтому использовать резисторы в диапазоне мегом для входа / обратной связи можно. Операционный усилитель недостаточно загружает резисторы, чтобы иметь значение.

5. Теперь возьмите операционный усилитель LM324, у которого входной импеданс примерно в 1000 раз ниже. Теперь вы обнаружите, что резисторы с обратной связью свыше 100 кОм начинают не иметь ожидаемого усиления, поскольку операционный усилитель действует как собственная нагрузка, накладывая жесткое ограничение на максимальное значение резисторов, которые можно использовать.

6. Хорошим компромиссом являются операционные усилители JFET, такие как серии TL061 / TL071 / TL081, которые очень тихие для аудио и имеют входное сопротивление 100 мегом Ом или около того. Вы можете использовать резисторы до нескольких МОм без большой ошибки усиления. Одним незначительным недостатком операционных усилителей JFET является необходимость в биполярном источнике питания от +/- 5 Вольт до +/- 18 Вольт, причем +/- 12 Вольт типичны для питания.

7. Операционные усилители для РЧ имеют низкий входной импеданс (от 25 до 75 Ом) и выходной импеданс и питаются от 5 или 3,3 вольт, причем многие из них имеют +/- 5 вольт. Низкими импедансами являются такие высокие частоты, иногда до 1 ГГц, которые могут заряжать и разряжать крошечную емкость входов и легко подключать коаксиальные кабели 75 Ом или 50 Ом (или витую пару). Токи смещения в операционном усилителе высоки, поэтому сигналы могут быстро качаться в положительном и отрицательном направлениях без перетаскивания.

Я мог бы написать книгу об операционных усилителях, но другие уже сделали, включая статьи на этом сайте. Каждый производитель операционных усилителей предлагает PDF-файлы для различных категорий, которые они делают, так что вы можете потратить годы, просто читая о них.