Що таке вхідний та вихідний опір підсилювача?

Я ніколи не розумів вхідні та вихідні імпеданси підсилювача. Якщо хтось може пояснити, що ці два терміни означають в підсилювачі, я дуже вдячний. Дякую!

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

Коротка відповідь: вхідний опір "високий" (в ідеалі нескінченний). Вихідний опір "низький" (в ідеалі дорівнює нулю). Але що це означає, і чому це корисно?

Імпеданс - це співвідношення між напругою і струмом. Це поєднання опору (незалежно від частоти, резисторів) і реактивності (залежно від частоти, індуктори та конденсатори). Для спрощення дискусії давайте просто припустимо, що всі наші імпеданси суто резистивні, тому імпеданс = опір.

Ви вже знаєте, що опір стосується напруги та струму за законом Ома:

або можливо

Тобто, один Ом означає, що за кожен вольт ви отримуєте один ампер. Ми знаємо, що якщо у нас є резистор , а у нас струм , то напруга має бути .$100\Omega$$1A$$100V$

Поняття імпедансу "вхід" та "вихід" - це майже одне й те саме, за винятком того, що нас стосується лише відносна зміна напруги та струму. Це є:

Якщо ми говоримо про вхідний опір підсилювача, ми говоримо про те, наскільки більше струму буде протікати при збільшенні напруги (або наскільки менший струм буде текти, коли напруга зменшується). Так би мовити , на вхід ОУ був , і ви виміряли струм , необхідний від джерела сигналу для розробки цієї напруги , щоб бути . Тоді ви змінили джерело таким чином, що з'явився на ОУ, а струм тепер . Потім ви можете обчислити вхідний опір підсилювача як:$1V$$1\mu A$$3V$$2\mu A$

Як правило, бажано дуже високого вхідного опору підсилювачів, оскільки це означає, що для отримання напруги від джерела потрібно дуже мало струму. Тобто, підсилювач не дуже сильно відрізняється від відкритого ланцюга, де не потрібен струм для створення напруги, оскільки опір відкритого ланцюга нескінченний.

Вихідний опір - це те саме, але зараз ми говоримо про те, наскільки змінюється видима напруга джерела, оскільки воно потрібно для подачі більше струму. Ви, напевно, помічали, що акумулятор під навантаженням має меншу напругу, ніж той самий акумулятор, який не знаходиться під навантаженням. Це джерело імпедансу в дії.

Скажімо, ви встановите свій підсилювач на вихід 5В, і ви вимірюєте напругу за допомогою відкритого контуру ¹ . Струм буде (оскільки ланцюг відкритий), а напруга, яку ви вимірюєте, буде 5В. Тепер ви підключаєте резистор до виходу, таким чином, що струм на виході підсилювача становить 50 . Ви виміряти напругу на цьому резисторі , і знайти його , щоб бути . Потім ви можете обчислити вихідний опір підсилювача як:$0A$$50mA$$4.99V$

Ви відзначите, що я змінив знак результату. Буде сенс, чому пізніше. Цей низький імпеданс джерела означає, що підсилювач може подавати (або тонути) багато струму без сильної зміни напруги.

Тут слід зробити кілька спостережень. Вхідний опір підсилювача виглядає як імпеданс навантаження до того, що доводить сигнал до підсилювача. Вихідний опір підсилювача виглядає як імпеданс джерела до того, що приймає сигнал від підсилювача.

Кажуть, що джерело, що рухає навантаження з відносно низьким опором навантаження , сильно навантажений , а сигнал напруги потребуватиме високого струму. Наскільки імпеданс джерела низький, джерело зможе подавати цей струм без опускання напруги.

Якщо ви хочете мінімізувати провисання напруги, то імпеданс джерела повинен бути набагато меншим, ніж імпеданс навантаження. Це називається мостом імпедансу . Це звичайно робити, тому що ми зазвичай представляємо сигнали як напруги, і ми хочемо передати ці напруги в незміненому вигляді з одного етапу на інший. Високий опір навантаження також означає, що струму не буде багато, що також означає меншу потужність.

Ідеальний підсилювач має нескінченний вхідний опір і нульовий вихідний імпеданс, оскільки легко зробити вхідний опір нижчим (поставити паралельний резистор) або вихідний опір вище (поставити послідовно резистор). Не так просто йти іншим шляхом; вам потрібно щось, що може посилити. Операційний підсилювач як послідовник напруги є одним із способів перетворення опору високого джерела в опір низького джерела.

Нарешті, теорема Тевеніна говорить, що ми можемо перетворити майже будь-яку лінійну електричну мережу в джерело напруги та резистор:

Насправді "імпеданс джерела" тут можна визначити як еквівалентний опір Тевеніна, . Він працює і для навантажень. Але якщо ви вже не знаєте теорему Тевеніна, сказати це не корисно. Однак, розуміючи, що таке вихідні та навантажувальні опори, теорема Тевеніна означає, що ви можете обчислити імпеданс для лінійних мереж, незалежно від складності.$R_{th}$

^{1: це насправді неможливо, тому що ви повинні підключити обидва відводи свого вольтметра до ланцюга, таким чином виконавши його! Але ваш вольтметр має дуже високий опір, тому він досить близький до відкритого контуру, що ми можемо вважати його таким.}

По-перше, важливо розрізнити вхідний і вихідний опір власне підсилювача і вхідний і вихідний опір схеми підсилювача .

Ідеальний підсилювач має нескінченний вхідний опір. Це означає, що не може бути струму в інвертуючий та неінвертуючий вхідні клеми

Ідеальний підсилювач має нульовий вихідний опір. Це означає, що вихідна напруга не залежить від вихідного струму.

Реальні фізичні підсилювачі лише наближають цей ідеал і мають дуже великий вхідний опір і дуже низький вихідний опір.

Коли підсилювач є частиною такої схеми, як підсилювач, фільтр тощо, вхідний опір схеми, як правило, буде відрізнятися від вхідного опору власного підсилювача.

У ланцюзі за ланкою вхід підключається безпосередньо до неінвертуючого входу, тому вхідний опір (ефективно) нескінченний.

Крім того, вихід підключається безпосередньо до виходу підсилювача, тому вихідний опір (приблизно) дорівнює нулю.