Короткий ответ: входной импеданс "высокий" (в идеале бесконечный). Выходной импеданс «низкий» (в идеале ноль). Но что это значит, и почему это полезно?
Импеданс - это соотношение между напряжением и током. Это комбинация сопротивления (не зависит от частоты, резисторы) и реактивного сопротивления (зависит от частоты, индуктивности и конденсаторы). Чтобы упростить обсуждение, давайте просто предположим, что все наши импедансы являются чисто резистивными, поэтому импеданс = сопротивление.
Вы уже знаете, что сопротивление связывает напряжение и ток по закону Ома:
E=IR
или, может быть
R=EI
То есть один ом означает, что за каждый вольт вы получаете один ампер. Мы знаем , что если у нас есть резистор , и у нас есть ток , то напряжение должно быть .100Ω1A100V
Понятие «входной» и «выходной» импедансы - это почти одно и то же, за исключением того, что мы имеем дело только с относительным изменением напряжения и тока. То есть:
R=∂E∂I
Если мы говорим о входном импедансе операционного усилителя, мы говорим о том, сколько тока будет течь при увеличении напряжения (или насколько меньше будет течь при уменьшении напряжения). Так сказать , на вход ОУ был , и вы измерили ток , требуемый от источника сигнала для разработки этого напряжения , чтобы быть . Затем вы изменили источник так, что на операционном усилителе появилось , а ток был . Затем вы можете рассчитать входное сопротивление операционного усилителя как:1V1μA3V2μA
(3V−1V)2μA−1μA=2MΩ
Как правило, очень высокий входной импеданс операционных усилителей желателен, потому что это означает, что для создания напряжения требуется очень маленький ток от источника. То есть операционный усилитель не сильно отличается от разомкнутой цепи, где для создания напряжения не требуется ток, поскольку полное сопротивление разомкнутой цепи бесконечно.
Выходной импеданс - это то же самое, но сейчас мы говорим о том, насколько изменяется кажущееся напряжение источника по мере того, как оно требуется для подачи большего тока. Вы, вероятно, заметили, что батарея под нагрузкой имеет более низкое напряжение, чем та же батарея без нагрузки. Это источник сопротивления в действии.
Допустим, вы установили на свой операционный усилитель 5 В и измеряете напряжение с помощью разомкнутой цепи 1 . Ток будет (потому что цепь разомкнута), а измеряемое вами напряжение будет 5В. Теперь вы подключаете резистор к выходу, так что ток на выходе операционного усилителя составляет . Вы измерить напряжение на этом резисторе , и найти его , чтобы быть . Затем вы можете рассчитать выходное сопротивление операционного усилителя как:0A50mA4.99V
−5V−4.99V0mA−50mA=0.2Ω
Вы заметите, что я изменил знак результата. Это будет иметь смысл, почему позже. Этот низкий импеданс источника означает, что операционный усилитель может подавать (или поглощать) большой ток без значительного изменения напряжения.
Здесь следует сделать несколько замечаний. Входной импеданс операционного усилителя выглядит как импеданс нагрузки для всего, что подтверждает сигнал операционного усилителя. Выходной импеданс операционного усилителя выглядит как импеданс источника для всего, что получает сигнал от операционного усилителя.
Говорят, что источник, управляющий нагрузкой с относительно низким импедансом нагрузки, сильно нагружен , и для сигнала напряжения потребуется большой ток. Если импеданс источника низкий, источник сможет подавать этот ток без падения напряжения.
Если вы хотите минимизировать падение напряжения, тогда сопротивление источника должно быть намного меньше, чем сопротивление нагрузки. Это называется мостовым сопротивлением . Это обычное дело, потому что мы обычно представляем сигналы как напряжения, и мы хотим передать эти напряжения без изменений с одной ступени на другую. Высокое сопротивление нагрузки также означает, что не будет большого тока, что также означает меньшую мощность.
Идеальный операционный усилитель имеет бесконечный входной импеданс и нулевой выходной импеданс, потому что можно легко уменьшить входной импеданс (поставить резистор параллельно) или повысить импеданс источника (резистор включить последовательно). Не так легко пойти другим путем; вам нужно что-то, что может усилиться. Операционный усилитель в качестве повторителя напряжения является одним из способов преобразования высокого импеданса источника в низкий импеданс источника.
Наконец, теорема Тевенина гласит, что мы можем преобразовать практически любую линейную электрическую сеть в источник напряжения и резистор:
Фактически, «полное сопротивление источника» может быть определено как эквивалентное сопротивление , здесь . Это работает и для нагрузок. Но если вы уже не знаете теорему Тевенина, говорить об этом бесполезно. Однако, понимая, что такое источник и импедансы нагрузки, теорема Тевенина означает, что вы можете рассчитать импеданс для линейных сетей, независимо от сложности.Rth
1: это на самом деле невозможно, потому что вы должны подключить оба провода вашего вольтметра к цепи, тем самым завершив это! Но у вашего вольтметра очень высокий импеданс, поэтому он достаточно близок к разомкнутой цепи, и мы можем считать его таким.
