运算放大器 (op amp) 的输入阻抗是无穷大还是零?

电器工程 运算放大器 放大器 输入阻抗
2022-01-30 23:37:40

理想情况下,输入阻抗是无限的。

但是,在计算差分放大器的输入电阻(Rin)时,作者采用了两个输入端短路的概念,这也是正确的,因为开环增益是无限的。(这反过来要求输入端电压之间的差为零。因此,短路。)

我的问题:为什么我们在少数情况下考虑零输入电流(由于无限输入阻抗),有时考虑采用短路概念的有限电流?有逻辑还是只是为了方便?

这是从书中剪下的电路图:

在此处输入图像描述

4个回答

实际上,对于新手来说,这个术语可能会让人感到困惑。术语“虚拟短路”是指在具有负反馈的运算放大器电路中,电路的布置方式(理想情况下)使两个运算放大器输入端的电压为零。

由于两点之间短路的一个特性是这些点上的电压为零,因此发明该术语的人认为(我猜)一种直观的东西,将运算放大器的输入端子之间发生的事情称为“虚拟短的”。他们称其为“虚拟”,因为它缺乏真实(理想)短路的另一个属性:毫无问题地吞噬任何数量的电流!唉,这差别可不小!他们本可以用一种不那么令人困惑的方式来称呼这个东西(“电压平衡原理”!?!),但“虚拟短路原理”听起来更酷,可能!谁知道?!

因此,当我们说两个输入之间存在虚拟短路时,这只是一种简单而传统的说法,即电路努力平衡输入电压,即它试图使它们保持相等。

请注意,“虚拟短路”的存在是电路的特性,而不是运算放大器的特性(尽管它利用运算放大器的理想无限增益),而没有电流流入输入的事实是运算放大器的特性(理想情况下)。

编辑(由评论提示)

我会尽量清楚我上面所说的。虚拟短路完全是由于两个关键因素结合在一起:非常高的增益 + 负反馈。

让我们做一些数学来说服自己。我们将 \$V^+\$ 和 \$V^-\$ 分别称为运算放大器的非反相和反相输入端的电压,并将 \$V_o\$ 称为输出电压。在这方面,真正的运算放大器是差分放大器,即\$V_o = A(V^+-V^-)\$,其中\$A\$ 是运算放大器的开环增益。

反转这个关系你得到\$V^+-V^-=V_o/A\$。因此,对于有限的 \$V_o\$ 和无限的 \$A\$,您会发现输入之间的差异为零。

负面反馈在哪里发挥了作用?无处可去,直到现在!!!问题是,真正的运算放大器需要负反馈以防止其输出饱和,在这种情况下,运算放大器的简单线性模型(即增益公式)将不再适用,除非在输入电压的非常小的间隔之外(假设经典的非反相配置,其中 \$V^+\$ 是输入电压,\$V^-\$ 是输出的一小部分)。

应用负反馈,您将在输入电压的有意义范围内获得零差分电压

确实很好的问题。

我认为大部分问题都可以通过查看运算放大器的等效电路来回答。

运算放大器等效电路

对于理想的运算放大器,流入 V+ 和 V- 的电流为零,因此这意味着 Rin 必须是无限大的。

当一个理想的运算放大器设置在反馈结构中时(Vout 以某种方式连接到 V+ 或 V-),V+ 处的电压将等于 V-。教科书通过在此处进行虚拟短路来模拟 V+ 等于 V-。运放的输入阻抗还是无穷大!

在我的电路课上,我们没有在两者之间进行虚拟短路,因为这可能会造成混淆。相反,我们只是说 V+ = V- 并将其用作求解其他未知数的方程。

简而言之,运算放大器的输入阻抗与整个放大器电路的输入阻抗之间存在差异。即使就您展示的差分放大器而言,实际上也没有电流进入运算放大器,运算放大器(理想情况下)具有无限的输入阻抗。

顺便说一句,请注意,不同的放大器输入会看到不同的输入阻抗,这是配置的内置缺点。

  1. 只是为了净化空气。如果运算放大器不用作比较器,换句话说,它有一个负反馈电阻器,那么它将输出(+)和(-)输入之间的差乘以增益以保持(+)和( -) 输入电压相同。在现实世界中,运算放大器的输入阻抗永远不会是无穷大或零欧姆,而是介于两者之间

  2. 如果您使用的电阻值太低或太高,则运算放大器会变得不稳定,并且 (+) 和 (-) 输入之间的电压未知。通常,您会看到 (+) 输入通过电阻器以地为参考并且运算放大器具有双极电源的设计。在这种情况下,(-)输入将是虚拟接地,因为(+)输入处于接地电位。

  3. 对于单端电源,(+) 输入通过电阻偏置到电源电压的 1/2,因此输出可能具有相等的正负摆幅。是的,对反馈回路执行(-)输入也将是电源电压的 1/2。任何信号都施加在该偏置电压上,并根据增益和反馈电阻的比率进行放大。

  4. 输入阻抗由使用的电阻值控制,但它们的最小值和最大值取决于所使用的运算放大器CA3140T 运算放大器的输入阻抗为 1.5 千兆欧姆,因此使用兆欧范围内的电阻器进行输入/反馈是可以的。运算放大器没有将电阻加载到足够重要的程度。

  5. 现在以输入阻抗低约 1,000 倍的 LM324 运算放大器为例。现在您会发现超过 100K 的反馈电阻器开始没有预期的增益,因为运算放大器本身就充当负载,从而严重限制了可以使用的电阻器的最大值。

  6. 一个很好的折衷方案是 JFET 运算放大器,例如 TL061/TL071/TL081 系列,它们非常适合音频使用,输入阻抗为 100 兆欧左右。您可以使用高达几兆欧的电阻,而不会产生太大的增益误差。JFET 运算放大器的一个小缺点是需要 +/-5 伏至 +/-18 伏的双极电源,其中 +/- 12 伏是典型的电源。

  7. 用于射频的运算放大器具有低输入阻抗(25 至 75 欧姆)和输出阻抗,由 5 或 3.3 伏供电,其中许多具有 +/-5 伏电源。低阻抗的频率非常高,有时高达 1 GHZ,可以对输入的微小电容进行充电和放电,并轻松驱动 75 ohm 或 50 ohm 同轴电缆(或双绞线)。运算放大器中的偏置电流很高,因此信号可以快速正负摆动,没有阻力。

我可以写一本关于运算放大器的书,但其他人已经有了,包括这个网站上的文章。每个运算放大器制造商都为他们制作的不同类别提供 PDF,因此您可能会花费数年时间阅读它们。