Trở kháng đầu vào và đầu ra của opamp là gì?

Tôi chưa bao giờ hiểu trở kháng đầu vào và đầu ra của op-amp. Nếu bất cứ ai có thể giải thích hai thuật ngữ này có nghĩa gì trong một op-amp tôi sẽ đánh giá cao nó. Cảm ơn bạn!

http://www.eecs.tufts.edu/~dsculley/tutorial/opamp/opamp5.html

operational-amplifier impedance

— người dùng734861
nguồn

Câu trả lời:

Câu trả lời ngắn gọn: trở kháng đầu vào là "cao" (lý tưởng là vô hạn). Trở kháng đầu ra là "thấp" (lý tưởng là không). Nhưng điều này có nghĩa là gì, và tại sao nó lại hữu ích?

Trở kháng là mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện. Đó là sự kết hợp giữa điện trở (không phụ thuộc tần số, điện trở) và điện kháng (phụ thuộc tần số, cuộn cảm và tụ điện). Để đơn giản hóa cuộc thảo luận, chúng ta hãy giả sử rằng tất cả các trở kháng của chúng ta hoàn toàn là điện trở, vì vậy trở kháng = kháng cự.

Bạn đã biết rằng điện trở liên quan đến điện áp và dòng điện theo định luật Ohm:

E = I R

$E = IR$

hoặc có thể

R = \frac{E}{I}

$R = \frac{E}{I}$

Đó là, một ohm có nghĩa là với mỗi volt, bạn có được một ampere. Chúng ta biết rằng nếu chúng ta có một điện trở của , và chúng ta có một hiện tại của , sau đó điện áp phải . $100\Omega$ $1A$ $100V$

Khái niệm trở kháng "đầu vào" và "đầu ra" gần như giống nhau, ngoại trừ chúng ta chỉ quan tâm đến sự thay đổi tương đối về điện áp và dòng điện. Đó là:

R = \frac{\partial E}{\partial I}

$R = \frac{\partial E}{\partial I}$

$1V$ $1\mu A$ $3V$ $2\mu A$

\frac{(3 V - 1 V)}{2 μ A - 1 μ A} = 2 M Ω

$\frac{(3V-1V)}{2\mu A-1\mu A} = 2 M\Omega$

Thông thường, trở kháng đầu vào rất cao của op-amps là mong muốn bởi vì điều đó có nghĩa là rất ít dòng điện được yêu cầu từ nguồn để tạo ra điện áp. Đó là, một op-amp trông không khác nhiều so với mạch hở, trong đó không cần dòng điện để tạo ra điện áp, bởi vì trở kháng của mạch hở là vô hạn.

Trở kháng đầu ra là điều tương tự, nhưng bây giờ chúng ta đang nói về việc điện áp rõ ràng của nguồn thay đổi như thế nào vì nó được yêu cầu để cung cấp thêm dòng điện. Bạn có thể đã quan sát thấy rằng một pin dưới tải có điện áp thấp hơn so với pin không tải. Đây là trở kháng nguồn trong hành động.

$0A$ $50mA$ $4.99V$

- \frac{5 V - 4.99 V}{0 m A - 50 m A} = 0.2 Ω

$- \frac{5V - 4.99V}{0mA - 50mA} = 0.2\Omega$

Bạn sẽ lưu ý rằng tôi đã thay đổi dấu hiệu của kết quả. Nó sẽ có ý nghĩa tại sao, sau này. Trở kháng nguồn thấp này có nghĩa là op-amp có thể cung cấp (hoặc chìm) rất nhiều dòng điện mà không cần thay đổi điện áp nhiều.

Có một số quan sát được thực hiện ở đây. Trở kháng đầu vào của op-amp trông giống như trở kháng tải đối với bất cứ điều gì đang chứng minh tín hiệu cho op-amp. Trở kháng đầu ra của op-amp trông giống như trở kháng nguồn đối với bất cứ thứ gì đang nhận tín hiệu từ op-amp.

Một nguồn điều khiển một tải có trở kháng tải tương đối thấp được cho là tải rất nhiều và tín hiệu điện áp sẽ yêu cầu dòng điện cao. Trong phạm vi mà trở kháng nguồn thấp, nguồn sẽ có thể cung cấp dòng điện đó mà không bị sụt áp.

Nếu bạn muốn giảm thiểu độ võng điện áp, thì trở kháng nguồn phải nhỏ hơn nhiều so với trở kháng tải. Điều này được gọi là bắc cầu trở kháng . Đó là một điều phổ biến để làm, bởi vì chúng ta thường biểu diễn các tín hiệu dưới dạng điện áp và chúng ta muốn chuyển các điện áp này không thay đổi từ giai đoạn này sang giai đoạn tiếp theo. Trở kháng tải cao cũng có nghĩa là sẽ không có nhiều dòng điện, điều đó cũng có nghĩa là ít năng lượng hơn.

Op-amp lý tưởng có trở kháng đầu vào vô hạn và trở kháng đầu ra bằng 0 vì dễ làm cho trở kháng đầu vào thấp hơn (đặt song song điện trở) hoặc trở kháng nguồn cao hơn (đặt điện trở nối tiếp). Không dễ để đi theo con đường khác; bạn cần một cái gì đó có thể khuếch đại. Một op-amp như một tín hiệu điện áp là một cách để biến đổi trở kháng nguồn cao thành trở kháng nguồn thấp.

Cuối cùng, định lý của Thévenin nói rằng chúng ta có thể biến đổi bất kỳ mạng điện tuyến tính nào thành nguồn điện áp và điện trở:

sơ đồ

$R_{th}$

^{1: điều này thực sự không thể, bởi vì bạn phải kết nối cả hai dây dẫn của vôn kế của mình với mạch, do đó hoàn thành nó! Nhưng, vôn kế của bạn có trở kháng rất cao, vì vậy nó đủ gần với một mạch mở mà chúng ta có thể xem xét nó như vậy.}

— Phil Frost
nguồn

Thứ nhất, điều quan trọng để phân biệt giữa đầu vào và trở kháng đầu ra của op-amp phù hợp và các đầu vào và đầu ra trở kháng của một op-amp mạch .

Một op-amp lý tưởng có trở kháng đầu vào vô hạn. Điều này có nghĩa là không thể có dòng điện vào hoặc ra khỏi các đầu vào đầu vào đảo ngược và không đảo ngược

Một op-amp lý tưởng có trở kháng đầu ra bằng không. Điều này có nghĩa là điện áp đầu ra không phụ thuộc vào dòng điện đầu ra.

Các op-amp thực, vật lý chỉ xấp xỉ lý tưởng này và có trở kháng đầu vào rất lớn và trở kháng đầu ra rất thấp.

Khi op-amp là một phần của mạch như bộ khuếch đại, bộ lọc, v.v., nói chung, trở kháng đầu vào của mạch sẽ khác với trở kháng đầu vào của op-amp thích hợp.

Trong mạch tại liên kết, đầu vào được kết nối trực tiếp với đầu vào không đảo để trở kháng đầu vào là vô hiệu.

Hơn nữa, đầu ra được kết nối trực tiếp với đầu ra op-amp để trở kháng đầu ra là (xấp xỉ) bằng không.

— Alfred Centauri
nguồn

Vì vậy, có thể nói rằng trở kháng đầu vào có nghĩa là trở kháng / trở kháng nào mà đầu vào hoặc nguồn nhìn thấy bên ngoài trong khi đó, trở kháng đầu ra có nghĩa là những gì đầu ra của tải nhìn thấy về phía nguồn?

— dùng734861

@ user734861, đó là một cách hợp lý để đặt nó.

— Alfred Centauri

Các ampe kế thường được sử dụng trong các tình huống trong đó trở kháng đầu vào phải rất lớn so với các trở kháng khác trên chân đầu vào và trong đó đường dẫn phản hồi sẽ làm cho trở kháng đầu ra hiệu quả không đáng kể so với trở kháng bên ngoài. Bản chất của ứng dụng sẽ xác định op amp phải tốt như thế nào để đáp ứng các yêu cầu này.

— supercat

"trở kháng đầu ra rất thấp." => hầu hết các ampe kế có trở kháng đầu ra ít nhất 100 và một số, đặc biệt là các loại CMOS / RRIO, nằm trong vùng 500-800 [vì chúng thường sử dụng các giai đoạn đầu ra giống như VCCS và vì độ dẫn MOS kém] . Với mức tăng vòng lặp thông thường, điều này vẫn dẫn đến trở kháng đầu ra << 1, ít nhất là đối với các tần số thấp.

— dom0