¿La impedancia de entrada de un amplificador operacional (op amp) es infinita o cero?

La terminología puede ser confusa para un novato, en realidad. El término "cortocircuito virtual" se refiere al hecho de que en un circuito opamp con retroalimentación negativa, el circuito está dispuesto de una manera que (idealmente) hace que el voltaje a través de las dos entradas opamp sea cero.

Dado que una de las propiedades de un cortocircuito entre dos puntos es que el voltaje en esos puntos es cero, las personas que inventaron esa terminología consideraron (supongo) algo intuitivo llamar a lo que sucede entre las terminales de entrada del opamp un "virtual". pequeño". Lo llamaron "virtual" porque carece de la otra propiedad de un corto real (ideal): ¡devorar cualquier cantidad de corriente sin problemas! ¡Ay, esa no es una pequeña diferencia! Podrían haber llamado a la cosa de una manera menos confusa ("¡¿el principio de equilibrio de voltaje"?!), ¡Pero "el principio corto virtual" suena más genial, probablemente! ¡¿Quién sabe?!

Entonces, cuando decimos que entre las dos entradas hay un cortocircuito virtual , es solo una forma fácil y convencional de decir que el circuito se esfuerza por equilibrar los voltajes en las entradas, es decir, trata de hacerlos y mantenerlos iguales.

Tenga en cuenta que la existencia del "cortocircuito virtual" es una propiedad del circuito, no del opamp (aunque explota la ganancia idealmente infinita del opamp), mientras que el hecho de que no fluya corriente en las entradas es una propiedad del opamp (idealmente).

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Trataré de ser más claro sobre lo que dije anteriormente. El corto virtual se debe exclusivamente a dos factores clave combinados: ganancia muy alta + retroalimentación negativa.

Hagamos algunas matemáticas para convencernos a nosotros mismos. Llamemos$V^+$y$V^-$los voltajes en las entradas no inversoras e inversoras del opamp, respectivamente, y$V_o$el voltaje de salida Un opamp real, a este respecto, es un amplificador diferencial, es decir$V_o = A(V^+-V^-)$, donde$A$es la ganancia de bucle abierto del opamp.

Invirtiendo esa relación que obtienes$V^+-V^-=V_o/A$. Así, para finitos$V_o$e infinito$A$, obtienes que la diferencia entre las entradas se vuelve cero.

¿Dónde jugó un papel la retroalimentación negativa? En ninguna parte, hasta ahora!!! El problema es que un opamp real necesita una retroalimentación negativa para evitar que su salida se sature , en cuyo caso el modelo lineal simple del opamp (es decir, esa fórmula de ganancia) ya no se aplicaría, excepto fuera de un intervalo muy pequeño de voltajes de entrada (suponiendo un configuración clásica no inversora donde$V^+$es el voltaje de entrada y$V^-$es una fracción de la salida).

Aplique retroalimentación negativa y obtendrá un voltaje diferencial cero en las entradas en un rango significativo de voltajes de entrada .

Muy buena pregunta de hecho.

Creo que gran parte de esto se puede responder mirando el circuito equivalente de un amplificador operacional.

Para un amplificador operacional ideal, la corriente que fluye hacia V+ y V- es cero, por lo que esto significa que Rin debe ser infinito.

Cuando se configura un amplificador operacional ideal en un arreglo de retroalimentación (Vout está conectado a V+ o V- de alguna manera), el voltaje en V+ será igual a V-. El libro de texto simula que V+ es igual a V- haciendo un corto virtual allí. ¡ La impedancia de entrada del amplificador operacional es infinita todavía!

En mi clase de circuitos, no hicimos un corto virtual entre los dos porque esto puede ser confuso. En cambio, simplemente dijimos V+ = V- y lo usamos como una ecuación para resolver otras incógnitas.

En resumen, hay una diferencia entre la impedancia de entrada del amplificador operacional y la impedancia de entrada del circuito amplificador general . Incluso en términos de amplificador diferencial que muestra, no hay corriente que ingrese al amplificador operacional, que (idealmente) tiene una impedancia de entrada infinita.

Aparte, tenga en cuenta que las entradas de amplificador de diferencia ven diferentes impedancias de entrada, lo cual es un inconveniente incorporado de la configuración.

1. Sólo para limpiar el aire. Si un amplificador operacional NO se usa como comparador, en otras palabras, tiene una resistencia de retroalimentación negativa, generará la diferencia entre la entrada (+) y (-) multiplicada por la ganancia para mantener (+) y ( -) entradas al mismo voltaje. En el mundo real, la impedancia de entrada de un amplificador operacional nunca puede ser infinita o cero ohmios, pero está en algún punto intermedio .

2. Si utiliza valores de resistencia demasiado bajos o demasiado altos, el amplificador operacional puede volverse inestable y se desconoce el voltaje entre las entradas (+) y (-). Por lo general, verá diseños en los que la entrada (+) hace referencia a tierra a través de una resistencia y el amplificador operacional tiene fuentes de alimentación bipolares. En este caso, la entrada (-) será una tierra virtual porque la entrada (+) está al potencial de tierra.

3. Con fuentes de alimentación de un solo extremo, la entrada (+) está polarizada con resistencias a la mitad del voltaje de suministro, por lo que la salida tiene la misma cantidad de oscilaciones positivas y negativas posibles. Y sí, en el circuito de retroalimentación, la entrada (-) también estará a la mitad del voltaje de suministro. Cualquier señal se impone sobre este voltaje de polarización y se amplifica de acuerdo con la relación de las resistencias de ganancia y retroalimentación.

4. La impedancia de entrada está controlada por el valor de las resistencias utilizadas, pero sus valores mínimo y máximo dependen del amplificador operacional utilizado . Un amplificador operacional CA3140T tiene una impedancia de entrada de 1,5 Giga ohmios, por lo que está bien usar resistencias en el rango de megaohmios para entrada/retroalimentación. El amplificador operacional no está cargando las resistencias lo suficiente como para importar.

5. Ahora tome el amplificador operacional LM324 que tiene una impedancia de entrada unas 1000 veces menor. Ahora descubrirá que las resistencias de retroalimentación de más de 100 K comienzan a no tener la ganancia esperada, porque el amplificador operacional actúa como una carga propia, lo que pone un límite severo en el valor máximo de las resistencias que se pueden usar.

6. Un buen compromiso son los amplificadores operacionales JFET como la serie TL061/TL071/TL081, que son muy silenciosos para uso de audio y tienen una impedancia de entrada de 100 megaohmios más o menos. Puede usar resistencias de hasta varios megaohmios sin mucho error de ganancia. Un inconveniente menor de los amplificadores operacionales JFET es la necesidad de una fuente de alimentación bipolar de +/- 5 voltios a +/- 18 voltios, siendo típicos +/- 12 voltios para la alimentación.

7. Los amplificadores operacionales para uso de RF tienen impedancias de entrada bajas (25 a 75 ohmios) e impedancias de salida y funcionan con 5 o 3,3 voltios, y muchos tienen suministros de +/-5 voltios. Las impedancias bajas son frecuencias tan altas, a veces hasta 1 GHZ, que pueden cargar y descargar la pequeña capacitancia de las entradas y conducir cables coaxiales de 75 ohm o 50 ohm (o un par trenzado) con facilidad. Las corrientes de polarización en el amplificador operacional son altas, por lo que las señales pueden oscilar entre positivas y negativas rápidamente, sin arrastre.

Podría escribir un libro sobre amplificadores operacionales, pero otros ya lo han hecho, incluidos artículos en este sitio. Cada fabricante de amplificadores operacionales ofrece archivos PDF para las diferentes categorías que fabrican, por lo que podría pasar años leyendo sobre ellos.