什么是运算放大器的输入和输出阻抗?

电器工程 运算放大器 阻抗
2022-01-20 05:41:16

我从来不了解运算放大器的输入和输出阻抗。如果有人能解释这两个术语在运算放大器中的含义,我将不胜感激。谢谢!

http://www.eecs.tufts.edu/~dsculley/tutorial/opamps/opamps5.html

2个回答

简短的回答:输入阻抗“高”(理想情况下是无限的)。输出阻抗“低”(理想情况下为零)。但这意味着什么,为什么有用?

阻抗是电压和电流之间的关系。它是电阻(与频率无关,电阻器)和电抗(与频率有关,电感器和电容器)的组合。为了简化讨论,我们假设我们所有的阻抗都是纯电阻的,所以阻抗 = 电阻。

您已经知道根据欧姆定律,电阻与电压和电流有关:

E=IR

或许

R=EI

也就是说,一欧姆意味着每伏特,你得到一安培。我们知道,如果我们有一个的电流,那么电压必须是100Ω1A100V

“输入”和“输出”阻抗的概念几乎相同,只是我们只关心电压和电流的相对变化那是:

R=EI

如果我们谈论运算放大器的输入阻抗,我们谈论的是当电压增加时会流过多少电流(或者当电压降低时会流过多少电流)。假设运算放大器的输入为,并且您测量了从信号源获得该电压所需的电流为然后你改变了源,使得出现在运算放大器上,电流现在是然后,您可以将运算放大器的输入阻抗计算为:1V1μA3V2μA

(3V1V)2μA1μA=2MΩ

通常,需要非常高的运算放大器输入阻抗,因为这意味着产生电压所需的电流非常小。也就是说,运算放大器看起来与开路没有太大区别,开路不需要电流来产生电压,因为开路的阻抗是无限的。

输出阻抗是一样的,但现在我们讨论的是源的表观电压在需要提供更多电流时会发生多大的变化。您可能已经观察到,带负载的电池的电压低于未带负载的电池。这是起作用的源阻抗。

假设您将运算放大器设置为输出 5V,然后用开路1测量电压。电流为(因为电路开路),您测量的电压为 5V。现在,您将一个电阻器连接到输出端,使运算放大器输出端的电流为你测量这个电阻上的电压,发现它是然后,您可以将运算放大器的输出阻抗计算为:0A50mA4.99V

5V4.99V0mA50mA=0.2Ω

你会注意到我改变了结果的符号。为什么,稍后再说。这种低源阻抗意味着运算放大器可以提供(或吸收)大量电流,而电压不会发生太大变化。

这里有一些观察。运算放大器的输入阻抗对于向运算放大器提供信号的任何事物而言,看起来就像负载阻抗。运算放大器的输出阻抗看起来像是从运算放大器接收信号的源阻抗。

驱动具有相对较低负载阻抗的负载的源被称为重负载,并且电压信号将需要高电流。在源阻抗较低的范围内,源将能够提供该电流而不会出现电压下降。

如果你想尽量减少电压下降,那么源阻抗应该远小于负载阻抗。这称为阻抗桥接这是很常见的事情,因为我们通常将信号表示为电压,并且我们希望将这些电压从一个阶段不变地传输到下一个阶段。高负载阻抗也意味着不会有太多电流,这也意味着更少的功率。

理想的运算放大器具有无限输入阻抗和零输出阻抗,因为很容易使输入阻抗降低(并联一个电阻)或提高源阻抗(串联一个电阻)。走另一条路并不容易;你需要一些可以放大的东西。作为电压跟随器的运算放大器是将高源阻抗转换为低源阻抗的一种方法。

最后,Thévenin 定理表明我们可以将几乎任何线性电网转换为电压源和电阻器:

示意图

实际上,“源阻抗”可以定义为戴维南等效电阻,它也适用于负载。但除非你已经知道戴维宁定理,否则这不是一个有用的东西。然而,了解什么是源阻抗和负载阻抗,戴维南定理意味着您可以计算线性网络的阻抗,而不管复杂性如何。Rth

1:这实际上是不可能的,因为您必须将电压表的两条引线都连接到电路,从而完成它!但是,你的电压表有一个非常高的阻抗,所以它足够接近开路,我们可以这样认为。

首先,重要的是要区分运算放大器本身的输入和输出阻抗以及运算放大器电路的输入和输出阻抗。

理想的运算放大器具有无限的输入阻抗。这意味着不能有电流流入或流出反相和非反相输入端子

理想运算放大器的输出阻抗为零。这意味着输出电压与输出电流无关。

实际的物理运算放大器仅接近这个理想值,并且具有非常大的输入阻抗和非常低的输出阻抗。

当运算放大器是放大器、滤波器等电路的一部分时,电路的输入阻抗通常与运算放大器本身的输入阻抗不同。

在链路的电路中,输入直接连接到非反相输入,因此输入阻抗(实际上)是无限的。

此外,输出直接连接到运算放大器输出,因此输出阻抗(大约)为零。