Cos'è l'impedenza di ingresso e uscita di un opamp?

Non ho mai capito le impedenze di ingresso e uscita di un amplificatore operazionale. Se qualcuno può spiegare cosa significano questi due termini in un amplificatore operazionale, lo apprezzerei molto. Grazie!

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

La risposta breve: l'impedenza di ingresso è "alta" (idealmente infinita). L'impedenza di uscita è "bassa" (idealmente zero). Ma cosa significa questo e perché è utile?

L'impedenza è la relazione tra tensione e corrente. È una combinazione di resistenza (indipendente dalla frequenza, resistori) e reattanza (dipendente dalla frequenza, induttori e condensatori). Per semplificare la discussione, supponiamo che tutte le nostre impedenze siano puramente resistive, quindi impedenza = resistenza.

Sai già che la resistenza collega la tensione e la corrente secondo la legge di Ohm:

o forse

Cioè, un ohm significa che per ogni volt si ottiene un ampere. Sappiamo che se abbiamo una resistenza di $100\Omega$ e abbiamo una corrente di $1A$ , la tensione deve essere di $100V$ .

Il concetto di impedenza "ingresso" e "uscita" è quasi la stessa cosa, tranne per il fatto che ci occupiamo solo della variazione relativa di tensione e corrente. Questo è:

Se stiamo parlando dell'impedenza di ingresso di un amplificatore operazionale, stiamo parlando di quanta più corrente fluirà all'aumentare della tensione (o di quanta meno corrente scorrerà, quando la tensione diminuirà). Così dicono l'ingresso ad un op-amp è , e si misura la corrente richiesta dalla sorgente di segnale per sviluppare questa tensione da . Poi è stata modificata la fonte in modo tale che è apparso alla op-amp, e la corrente era ormai . È quindi possibile calcolare l'impedenza di ingresso dell'op-amp come:$1V$$1\mu A$$3V$$2\mu A$

In genere, è desiderabile un'impedenza di ingresso molto elevata degli amplificatori operazionali perché ciò significa che per produrre tensione è necessaria una corrente molto piccola. Cioè, un amplificatore operazionale non sembra molto diverso da un circuito aperto, dove non serve corrente per creare una tensione, perché l'impedenza di un circuito aperto è infinita.

L'impedenza di uscita è la stessa cosa, ma ora stiamo parlando di quanto cambia la tensione apparente della sorgente in quanto è richiesta per fornire più corrente. Probabilmente hai notato che una batteria sotto carico ha una tensione inferiore rispetto alla stessa batteria non sotto carico. Questa è l'impedenza della sorgente in azione.

Supponi di aver impostato l'amplificatore operazionale in uscita a 5 V e di misurare la tensione con un circuito aperto ¹ . La corrente sarà (perché il circuito è aperto) e la tensione misurata sarà 5V. Ora si collega un resistore all'uscita, in modo tale che la corrente all'uscita dell'op-amp sia di . Si misura la tensione attraverso questa resistenza e lo trovo ad essere . È quindi possibile calcolare l'impedenza di uscita dell'op-amp come:$0A$$50mA$$4.99V$

Noterai che ho cambiato il segno del risultato. Avrà senso perché, in seguito. Questa bassa impedenza della sorgente significa che l'amplificatore operazionale può fornire (o assorbire) molta corrente senza che la tensione cambi molto.

Ci sono alcune osservazioni da fare qui. L'impedenza di ingresso dell'amplificatore operazionale assomiglia all'impedenza di carico a qualunque cosa stia provando il segnale all'amplificatore operazionale. L'impedenza di uscita dell'amplificatore operazionale sembra l'impedenza della sorgente a qualunque cosa stia ricevendo il segnale dall'amplificatore operazionale.

Una sorgente che guida un carico con un'impedenza di carico relativamente bassa si dice che sia pesantemente caricata e un segnale di tensione richiederà una corrente elevata. Nella misura in cui l'impedenza della sorgente è bassa, la sorgente sarà in grado di fornire quella corrente senza il cedimento della tensione.

Se si desidera ridurre al minimo il cedimento della tensione, l'impedenza della sorgente dovrebbe essere molto inferiore all'impedenza di carico. Questo si chiama ponte dell'impedenza . È una cosa comune da fare, perché comunemente rappresentiamo segnali come tensioni e vogliamo trasferire queste tensioni invariate da uno stadio a quello successivo. Un'alta impedenza di carico significa anche che non ci sarà molta corrente, il che significa anche meno energia.

L'amplificatore operazionale ideale ha un'impedenza di ingresso infinita e un'impedenza di uscita zero perché è facile ridurre l'impedenza di ingresso (mettere un resistore in parallelo) o l'impedenza di sorgente più alta (mettere un resistore in serie). Non è così facile andare dall'altra parte; hai bisogno di qualcosa che possa amplificare. Un amplificatore operazionale come follower di tensione è un modo per trasformare un'impedenza di sorgente elevata in un'impedenza di sorgente bassa.

Infine, il teorema di Thévenin afferma che possiamo trasformare praticamente qualsiasi rete elettrica lineare in una sorgente di tensione e una resistenza:

In effetti, "impedenza della sorgente" può essere definita come la resistenza equivalente di Thévenin, qui . Funziona anche per carichi. Ma se non conosci già il teorema di Thévenin, non è una cosa utile da dire. Tuttavia, comprendendo quali sono le impedenze di sorgente e carico, il teorema di Thévenin significa che puoi calcolare un'impedenza per le reti lineari, indipendentemente dalla complessità.$R_{th}$

^{1: questo in realtà non è possibile, perché è necessario collegare entrambi i cavi del voltmetro al circuito, completandolo così! Ma il tuo voltmetro ha un'impedenza molto alta, quindi è abbastanza vicino a un circuito aperto che possiamo considerarlo tale.}

Innanzitutto, è importante distinguere tra l'impedenza di ingresso e uscita dell'op-amp corretto e l'impedenza di ingresso e uscita di un circuito operazionale .

Un amplificatore operazionale ideale ha un'impedenza di ingresso infinita. Ciò significa che non ci può essere corrente in entrata o in uscita dai terminali di ingresso invertenti e non invertenti

Un amplificatore operazionale ideale ha impedenza di uscita pari a zero. Ciò significa che la tensione di uscita è indipendente dalla corrente di uscita.

Gli amplificatori operazionali reali e fisici approssimano solo questo ideale e hanno un'impedenza di ingresso molto grande e un'impedenza di uscita molto bassa.

Quando l'amplificatore operazionale fa parte di un circuito come un amplificatore, un filtro, ecc., L'impedenza di ingresso del circuito sarà, in generale, diversa dall'impedenza di ingresso dell'amplificatore operazionale.

Nel circuito sul collegamento, l'ingresso è collegato direttamente all'ingresso non invertente, quindi l'impedenza di ingresso è (effettivamente) infinita.

Inoltre, l'uscita è collegata direttamente all'uscita dell'amplificatore operazionale, quindi l'impedenza di uscita è (approssimativamente) zero.