L'impedenza di ingresso di un amplificatore operazionale (op amp) è infinita o zero?

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Idealmente, l'impedenza di ingresso è infinita.

Ma, nel calcolare la resistenza di ingresso (Rin) di un amplificatore di differenza, l'autore ha preso l'idea che i due terminali di ingresso sono in cortocircuito, il che è anche vero, poiché il guadagno ad anello aperto è infinito. (Il che a sua volta richiede che la differenza tra le tensioni del terminale di ingresso sia zero. Quindi, corto circuito.)

LA MIA Domanda: Perché in pochi casi consideriamo la corrente di ingresso zero (a causa dell'impedenza di ingresso infinita), e talvolta consideriamo la corrente finita prendendo il concetto di corto circuito? C'è una logica o è solo una comodità?

Questo è lo schema circuitale estratto dal libro:

inserisci qui la descrizione dell'immagine

operational-amplifier amplifier input-impedance

— elettronica
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No, non c'è un vero corto tra di loro. Rende solo molto più semplice per i calcoli. In realtà il feedback dall'uscita fornisce la corrente per forzare l'altro pin sullo stesso valore.

— Winny

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@winny ha ragione, nota che nel tuo diagramma sopra non c'è ancora corrente che fluisce nei terminali + o - lì, quegli ingressi (idealmente) hanno ancora un'impedenza infinita. Tuttavia, in questa configurazione vi sono correnti che fluiscono nei resistori di ingresso, forniti dal resistore di retroazione e dalla tensione di sorgente. Solo perché l'amplificatore ha un'impedenza di ingresso infinita non significa che ogni circuito che costruisci con esso avrà un'impedenza infinita sui loro terminali di ingresso.

— John D,

Questo "cortocircuito virtuale" è abbastanza fuorviante, poiché suggerisce che parte della corrente va tra gli ingressi V + e V-.

— TEMLIB,

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La terminologia può essere fonte di confusione per un principiante, in realtà. Il termine "cortocircuito virtuale" si riferisce al fatto che in un circuito opamp con feedback negativo il circuito è organizzato in modo tale da rendere (idealmente) zero la tensione attraverso i due ingressi opamp.

Poiché una delle proprietà di un corto circuito tra due punti è che la tensione attraverso quei punti è zero, le persone che hanno inventato quella terminologia consideravano (suppongo) una cosa intuitiva chiamare ciò che accade tra i terminali di ingresso di Opamp come "virtuale corto". L'hanno chiamato "virtuale" perché manca l'altra proprietà di un corto (ideale) reale: divorare qualsiasi quantità di corrente senza problemi! Ahimè, questa non è una piccola differenza! Avrebbero potuto chiamare la cosa in modo meno confuso ("il principio del bilanciamento della tensione"!?!), Ma "il principio corto virtuale" suona più fresco, probabilmente! Chissà?!

Quindi, quando diciamo che tra i due ingressi c'è un corto virtuale , è solo un modo semplice e convenzionale per dire che il circuito si sforza di bilanciare le tensioni sugli ingressi, cioè cerca di renderli e mantenerli uguali.

Si noti che l'esistenza del "corto virtuale" è una proprietà del circuito, non dell'opamp (sebbene sfrutti il guadagno idealmente infinito dell'opamp), mentre il fatto che nessuna corrente fluisca negli ingressi è una proprietà dell'opamp (idealmente).

EDIT (richiesto da un commento)

Cercherò di essere più chiaro su ciò che ho detto sopra. Il corto virtuale è dovuto esclusivamente a due fattori chiave combinati insieme: guadagno molto elevato + feedback negativo.

Facciamo un po 'di matematica per convincerci. Chiamiamo e le tensioni sugli ingressi non invertente e invertente dell'opamp, rispettivamente, e la tensione di uscita. Un vero opamp, a questo proposito, è un amplificatore differenziale, cioè , dove è il guadagno ad anello aperto dell'opamp. $V^+$ $V^-$ $V_o$ $V_o = A(V^+-V^-)$ $A$

Inversione che rapporto si ottiene . Pertanto, per finito e infinito , si ottiene che la differenza tra gli ingressi diventa zero. $V^+-V^-=V_o/A$ $V_o$ $A$

Dove ha avuto un ruolo il feedback negativo? Da nessuna parte, fino ad ora !!! Il problema è che un vero opamp ha bisogno di un feebdback negativo per impedire la saturazione del suo output , nel qual caso il semplice modello lineare di opamp (cioè quella formula di guadagno) non si applicherebbe più, tranne che al di fuori di un intervallo molto piccolo di tensioni di ingresso (supponendo un configurazione classica non invertente in cui è la tensione di ingresso e è una frazione dell'uscita). $V^+$ $V^-$

Applica un feedback negativo e otterrai una tensione differenziale zero sugli ingressi in un intervallo significativo di tensioni di ingresso .

— Lorenzo Donati - Codidact.org
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aggiungendo: l'azione di un amplificatore operazionale come un amplificatore differenziale a guadagno molto elevato e ad altissima impedenza accoppiata con il circuito di retroazione del terminale di uscita verso l'inversione è esattamente ciò che porta la tensione di ingresso differenziale a zero

— oldrinb

Stesso potenziale, quindi nessuna tensione: forse i nodi equipotenziali ?

— Magic Smoke,

@oldrinb in realtà l'impedenza di ingresso dell'opamp non gioca un ruolo nel raggiungimento del corto virtuale. I fattori chiave sono guadagno molto elevato + feedback negativo.

— Lorenzo Donati - Codidact.org il

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Davvero un'ottima domanda.

Penso che si possa rispondere a gran parte di questo guardando il circuito equivalente di un amplificatore operazionale.

Per un amplificatore operazionale ideale, la corrente che scorre in V + e V- è zero, quindi questo significa che Rin deve essere infinito.

Quando un amplificatore operazionale ideale è impostato in una disposizione di feedback (Vout è collegato a V + o V- in qualche modo), la tensione su V + sarà uguale a V-. Il libro di testo simula che V + è uguale a V- creando un corto virtuale lì. L'impedenza di ingresso dell'amplificatore operazionale è ancora infinita!

Nella mia classe di circuiti, non abbiamo creato un corto virtuale tra i due perché questo può creare confusione. Invece, abbiamo appena detto V + = V- e l'abbiamo usato come equazione per risolvere altre incognite.

— Addison
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Non "trasformi" un corto virtuale. È solo un concetto utile per descrivere un amplificatore operazionale in una situazione di feedback negativo. Il "corto" viene creato dall'amplificatore operazionale facendo tutto il possibile per rendere V + = V-, assumendo le normali condizioni operative. Se l'amplificatore operazionale funziona come un compatore, con V + e V- isolati elettricamente da Vo, allora V + normalmente non sarà uguale a V-.

— jbord39,

Non ho suggerito che la connessione tra V + e V- sia fisica. Ho detto che il libro di testo simula questo creando un corto virtuale che è corretto. "Accorciando un virtuale", si intende che significa tracciare una linea da V + a V- per rappresentare V + uguale a V-.

— Addison,

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"Poiché non c'è corrente che scorre attraverso Rin, la tensione su V + deve essere uguale a V-" - Questo non è vero. Collegare un 1k b / n sia V + che V- e mettere V + @ alimentazione positiva e V- a terra. L'output sarà la guida positiva. V + non sarà uguale a V-. La ragione V + normalmente equivale a V- è perché l'amplificatore operazionale è impostato in una disposizione di retroazione che tenta di minimizzare la differenza tra V + e V-. Il mio punto è applicare ciecamente le equazioni senza capire che il loro scopo sarà fuorviante.

— jbord39,

Hai un buon punto. Il mio ragionamento dietro V + è uguale a V- è valido solo in una disposizione di feedback. Ho corretto il mio post.

— Addison,

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In breve, c'è una differenza tra l'impedenza di ingresso dell'amplificatore operazionale e l'impedenza di ingresso del circuito complessivo dell'amplificatore . Anche in termini di amplificatore diff che mostri, non c'è corrente che entri effettivamente nell'amplificatore operazionale, che (idealmente) ha un'impedenza di ingresso infinita.

Per inciso, si noti che gli ingressi dell'amplificatore differenza vedono impedenze di ingresso diverse, il che è uno svantaggio incorporato della configurazione.

— Scott Seidman
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Solo per liberare l'aria. Se un amplificatore operazionale NON viene utilizzato come comparatore, in altre parole ha un resistore di feedback negativo, quindi emetterà la differenza tra l'ingresso (+) e (-) per il guadagno per mantenere (+) e ( -) ingressi alla stessa tensione. Nel mondo reale, l'impedenza di ingresso di un amplificatore operazionale non può mai essere infinita o zero ohm, ma è da qualche parte nel mezzo .
Se si utilizzano valori di resistenze troppo bassi o alti, l'amplificatore operazionale può diventare instabile e la tensione tra gli ingressi (+) e (-) è sconosciuta. In genere vedrai progetti in cui l'ingresso (+) è riferito a massa attraverso un resistore e l'amplificatore operazionale ha alimentatori bipolari. In questo caso l'ingresso (-) sarà una terra virtuale perché l'ingresso (+) è al potenziale di terra.
Con alimentatori a terminazione singola l'ingresso (+) è polarizzato con resistori a 1/2 della tensione di alimentazione, quindi l'uscita ha una quantità uguale di oscillazione positiva e negativa possibile. E sì, esegui il loop di feedback anche l'ingresso (-) sarà a 1/2 della tensione di alimentazione. Qualsiasi segnale viene imposto su questa tensione di polarizzazione e amplificato in base al rapporto tra guadagno e resistori di retroazione.
L'impedenza di ingresso è controllata dal valore dei resistori utilizzati, ma i loro valori minimo e massimo dipendono dall'amplificatore operazionale utilizzato . Un amplificatore operazionale CA3140T ha un'impedenza di ingresso di 1,5 Giga ohm, quindi l'uso di resistori nella gamma di megaohm per input / feedback è OK. L'amplificatore operazionale non sta caricando i resistori abbastanza da importare.
Ora prendi l'amplificatore operazionale LM324 che ha un'impedenza di ingresso circa 1.000 volte inferiore. Ora scoprirai che i resistori di feedback oltre i 100K iniziano a non avere il guadagno previsto, perché l'amplificatore operazionale agisce come un carico a sé stante, ponendo un grave limite al valore massimo dei resistori che possono essere utilizzati.
Un buon compromesso sono gli amplificatori operazionali JFET come le serie TL061 / TL071 / TL081 che sono molto silenziosi per l'uso audio e hanno un'impedenza di ingresso di circa 100 Meg ohm. È possibile utilizzare resistori fino a diversi megaohm senza errori di guadagno. Un piccolo inconveniente degli amplificatori operazionali JFET è la necessità di un alimentatore bipolare da +/- 5 volt a +/- 18 volt, con +/- 12 volt tipico per l'alimentazione.
Gli amplificatori operazionali per uso RF hanno impedenze di ingresso basse (da 25 a 75 ohm) e impedenze di uscita e sono alimentate da 5 o 3,3 volt, con molte alimentazioni +/- 5 volt. Le basse impedenze sono così alte frequenze, a volte fino a 1 GHZ, in grado di caricare e scaricare la minuscola capacità degli ingressi e guidare facilmente cavi coassiali da 75 ohm o 50 ohm (o una coppia intrecciata). Le correnti di polarizzazione nell'amplificatore operazionale sono elevate, quindi i segnali possono oscillare rapidamente in positivo e in negativo, senza trascinamento.

Potrei scrivere un libro su amplificatori operazionali, ma altri lo hanno già, compresi articoli su questo sito. Ogni manifattura di amplificatori operazionali offre PDF per le diverse categorie che creano, in modo da poter passare anni a leggerli.

— Sparky256
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