Trở kháng đầu vào của bộ khuếch đại hoạt động (op amp) là vô hạn hay bằng 0?

11

Lý tưởng nhất là trở kháng đầu vào là vô hạn.

Nhưng, khi tính toán điện trở đầu vào (Rin) của bộ khuếch đại chênh lệch, tác giả đã đưa ra khái niệm rằng hai đầu vào đầu vào được ngắn mạch, điều này cũng đúng, vì độ lợi của vòng mở là vô hạn. (Đến lượt nó yêu cầu chênh lệch giữa các điện áp đầu vào bằng không. Do đó, ngắn mạch.)

Câu hỏi của tôi: Tại sao chúng ta xem xét dòng điện đầu vào bằng 0 trong một số trường hợp (do trở kháng đầu vào vô hạn), và đôi khi xem xét dòng điện hữu hạn lấy khái niệm ngắn mạch? Có logic hay nó chỉ là một tiện lợi?

Đây là sơ đồ mạch được lấy ra từ cuốn sách:

nhập mô tả hình ảnh ở đây

operational-amplifier amplifier input-impedance

— thiết bị điện tử
nguồn

1

Không, không có thực sự ngắn giữa họ. Nó chỉ làm cho nó đơn giản hơn nhiều cho việc tính toán. Trong thực tế, thông tin phản hồi từ đầu ra cung cấp dòng điện để buộc các pin khác có cùng giá trị.

— winny

3

@winny có quyền, lưu ý rằng trong sơ đồ của bạn ở trên vẫn không có dòng điện chạy vào các cực + hoặc - ở đó, các đầu vào (lý tưởng) vẫn có trở kháng vô hạn. Tuy nhiên, trong cấu hình này có dòng điện chạy trong các điện trở đầu vào, được cung cấp bởi điện trở hồi tiếp và điện áp nguồn. Chỉ vì bộ khuếch đại có trở kháng đầu vào vô hạn không có nghĩa là mọi mạch bạn xây dựng với nó sẽ có trở kháng vô hạn trên các đầu vào đầu vào của chúng.

— John D

"Mạch ngắn ảo" này khá sai lệch, vì nó cho thấy rằng một số dòng điện đi giữa các đầu vào V + và V-.

— TEMLIB

14

Thuật ngữ có thể gây nhầm lẫn cho một người mới, thực sự. Thuật ngữ "ngắn mạch ảo" dùng để chỉ thực tế là trong mạch opamp có phản hồi âm , mạch được bố trí theo cách (lý tưởng) làm cho điện áp trên hai đầu vào opamp bằng không.

Vì một trong những tính chất của ngắn mạch giữa hai điểm là điện áp trên các điểm đó bằng 0, nên những người đã phát minh ra thuật ngữ đó coi (tôi đoán) là một điều trực quan để gọi những gì xảy ra giữa các cực đầu vào của opamp là "ảo ngắn". Họ gọi nó là "ảo" vì nó thiếu tính chất khác của một thực tế (lý tưởng): để ngấu nghiến bất kỳ lượng điện nào mà không gặp vấn đề gì! Than ôi, đó là sự khác biệt không nhỏ! Họ có thể đã gọi điều này theo một cách ít gây nhầm lẫn hơn ("nguyên tắc cân bằng điện áp"!?!), Nhưng "nguyên tắc ngắn ảo" nghe có vẻ hay hơn, có lẽ! Ai biết?!

Vì vậy, khi chúng ta nói rằng giữa hai đầu vào có một khoảng ngắn ảo , đó chỉ là một cách dễ dàng và thông thường để nói rằng mạch cố gắng cân bằng điện áp ở đầu vào, tức là nó cố gắng làm cho chúng và giữ chúng bằng nhau.

Lưu ý rằng sự tồn tại của "ảo ngắn" là một thuộc tính của mạch, không phải của opamp (mặc dù nó khai thác mức tăng vô hạn lý tưởng của opamp), trong khi thực tế là không có dòng điện nào chảy vào đầu vào là thuộc tính của opamp (lý tưởng).

EDIT (được nhắc bởi một bình luận)

Tôi sẽ cố gắng nói rõ hơn về những gì tôi đã nói ở trên. Ngắn ảo là độc quyền do hai yếu tố chính kết hợp với nhau: mức tăng rất cao + phản hồi tiêu cực.

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

$V^+-V^-=V_o/A$ $V_o$ $A$

$V^+$ $V^-$

Áp dụng phản hồi tiêu cực và bạn sẽ nhận được điện áp vi sai bằng 0 ở đầu vào trong một phạm vi điện áp đầu vào có ý nghĩa .

— Lorenzo Donati hỗ trợ Monica
nguồn

thêm vào: hoạt động của bộ khuếch đại hoạt động như một bộ khuếch đại vi sai trở kháng đầu vào rất lớn, rất lớn kết hợp với vòng phản hồi đầu ra-đầu vào đảo ngược chính xác là điều khiến điện áp đầu vào vi sai trở về 0

— oldrinb

Cùng một tiềm năng, do đó không có điện áp: các nút đẳng thế có thể?

— Khói ma thuật

@oldrinb thực sự trở kháng đầu vào của opamp không đóng vai trò để đạt được độ ngắn ảo. Các yếu tố chính là mức tăng rất cao + phản hồi tiêu cực.

— Lorenzo Donati hỗ trợ Monica

5

Câu hỏi rất hay thực sự.

Tôi nghĩ rằng nhiều điều này có thể được trả lời bằng cách nhìn vào mạch tương đương của một op amp.

Đối với một op op lý tưởng, dòng điện chạy vào V + và V- bằng 0, vì vậy điều này có nghĩa là Rin phải là vô hạn.

Khi một op op lý tưởng được thiết lập theo cách sắp xếp phản hồi (Vout được kết nối với V + hoặc V- theo một cách nào đó), điện áp tại V + sẽ bằng V-. Sách giáo khoa mô phỏng V + bằng V- bằng cách rút ngắn ảo ở đó. Trở kháng đầu vào của op amp vẫn là vô hạn!

Trong lớp mạch của tôi, chúng tôi đã không tạo ra một khoảng ngắn ảo giữa hai vì điều này có thể gây nhầm lẫn. Thay vào đó, chúng tôi chỉ nói V + = V- và sử dụng nó như một phương trình để giải các ẩn số khác.

— Addison
nguồn

3

Bạn không "làm" một đoạn ngắn ảo. Nó chỉ là một khái niệm hữu ích để mô tả một op-amp trong tình huống phản hồi tiêu cực. "Short" được tạo bởi op-amp làm bất cứ điều gì có thể để tạo V + = V-, giả sử điều kiện hoạt động bình thường. Nếu op-amp hoạt động như một bộ tổng hợp, với V + và V- cách ly với Vo, thì V + sẽ không bằng V-.

— jbord39

Tôi không đề xuất rằng kết nối giữa V + và V- là vật lý. Tôi nói rằng sách giáo khoa mô phỏng điều này bằng cách viết một đoạn ảo ngắn là đúng. Bằng cách "tạo một đoạn ảo ảo", có nghĩa là vẽ một đường thẳng từ V + đến V- để biểu thị V + bằng V-.

— Addison

3

"Vì không có dòng điện chạy qua Rin, nên điện áp ở V + phải bằng V-" - Điều này không đúng. Kết nối 1k b / w cả V + và V- và đặt V + @ cung cấp tích cực và V- trên mặt đất. Đầu ra sẽ là đường sắt tích cực. V + sẽ không bằng V-. Lý do V + thường bằng V- là vì op-amp được thiết lập theo cách sắp xếp phản hồi nhằm cố gắng giảm thiểu chênh lệch b / w V + và V-. Quan điểm của tôi là áp dụng một cách mù quáng các phương trình không hiểu mục đích của họ sẽ gây hiểu lầm.

— jbord39

Bạn làm cho một điểm tốt. Lý do của tôi đằng sau V + bằng V- chỉ có giá trị trong sắp xếp phản hồi. Tôi đã sửa bài của tôi.

— Addison

3

Nói tóm lại, có sự khác biệt giữa trở kháng đầu vào của op amp và trở kháng đầu vào của mạch khuếch đại tổng thể . Ngay cả trong điều khoản diff amp mà bạn hiển thị, không có dòng điện nào thực sự đi vào op amp, mà (lý tưởng nhất) có trở kháng đầu vào vô hạn.

Bên cạnh đó, lưu ý rằng các đầu vào amp khác nhau nhìn thấy các trở kháng đầu vào khác nhau, đó là một nhược điểm của cấu hình.

— Scott Seidman
nguồn

3

Chỉ để làm sạch không khí. Nếu op-amp KHÔNG được sử dụng làm bộ so sánh, nói cách khác, nó có điện trở phản hồi âm, thì nó sẽ tạo ra sự khác biệt giữa đầu vào (+) và (-) để đạt được mức tăng (+) và ( -) đầu vào ở cùng một điện áp. Trong thế giới thực, trở kháng đầu vào của op-amp không bao giờ có thể là vô hạn hoặc zero ohms, nhưng nằm ở đâu đó giữa .
Nếu bạn sử dụng các giá trị điện trở quá thấp hoặc cao thì op-amp có thể không ổn định và điện áp giữa các đầu vào (+) và (-) không xác định. Thông thường, bạn sẽ thấy các thiết kế trong đó đầu vào (+) được tham chiếu đến mặt đất thông qua một điện trở và op-amp có nguồn cung cấp điện hai cực. Trong trường hợp này, đầu vào (-) sẽ là mặt đất ảo vì đầu vào (+) có tiềm năng mặt đất.
Với nguồn cung cấp một đầu, đầu vào (+) bị sai lệch với điện trở bằng 1/2 điện áp cung cấp, do đó, đầu ra có một mức độ xoay âm và dương tương đương có thể. Và có, làm với vòng phản hồi, đầu vào (-) cũng sẽ bằng 1/2 điện áp cung cấp. Bất kỳ tín hiệu nào được đặt trên điện áp phân cực này và được khuếch đại theo tỷ lệ của điện trở khuếch đại và phản hồi.
Trở kháng đầu vào được điều khiển bởi giá trị của các điện trở được sử dụng, nhưng giá trị tối thiểu và tối đa của chúng phụ thuộc vào op-amp được sử dụng . Một op-amp CA3140T có trở kháng đầu vào là 1,5 Giga ohms, vì vậy sử dụng điện trở trong phạm vi megohm cho đầu vào / phản hồi là OK. Các op-amp không tải xuống các điện trở đủ để quan trọng.
Bây giờ hãy lấy op-amp LM324 có trở kháng đầu vào thấp hơn khoảng 1.000 lần. Bây giờ bạn sẽ thấy rằng các điện trở phản hồi trên 100K bắt đầu không có mức tăng như mong đợi, bởi vì op-amp hoạt động như một tải của chính nó, đặt giới hạn nghiêm trọng cho giá trị tối đa của điện trở có thể được sử dụng.
Một sự thỏa hiệp tốt là các op-amp JFE như sê-ri TL061 / TL071 / TL081 rất yên tĩnh để sử dụng âm thanh và có trở kháng đầu vào là 100 Meg ohms. Bạn có thể sử dụng điện trở lên đến vài megohms mà không gặp nhiều lỗi. Một nhược điểm nhỏ của op-amp JFE là nhu cầu cung cấp năng lượng lưỡng cực từ +/- 5 volt đến +/- 18 volt, với +/- 12 volt là điển hình cho nguồn điện.
Op-amps để sử dụng RF có trở kháng đầu vào thấp (25 đến 75 ohms) và trở kháng đầu ra và được cung cấp bởi 5 hoặc 3,3 volt, với nhiều nguồn cung cấp +/- 5 volt. Các trở kháng thấp là tần số rất cao, đôi khi lên đến 1 GHZ, có thể sạc và xả điện dung nhỏ của đầu vào và điều khiển cáp dỗ 75 ohm hoặc 50 ohm (hoặc một cặp xoắn) một cách dễ dàng. Dòng điện phân cực trong op-amp cao để tín hiệu có thể dao động tích cực và tiêu cực nhanh chóng, không có lực cản.

Tôi có thể viết một cuốn sách về op-amps nhưng những cuốn khác đã có, bao gồm các bài viết trên trang web này. Mỗi nhà sản xuất op-amp cung cấp PDF cho các danh mục khác nhau mà họ tạo ra, vì vậy bạn có thể dành nhiều năm chỉ để đọc về chúng.

— Sparky256
nguồn