¿La impedancia de entrada de un amplificador operacional (amplificador operacional) 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 operativo con retroalimentación negativa el circuito está dispuesto de manera que (idealmente) el voltaje a través de las dos entradas opamp sea cero.

Dado que uno 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) una cosa intuitiva para llamar a lo que sucede entre los terminales de entrada del opamp un "corto virtual". Lo llamaron "virtual" porque carece de la otra propiedad de un corto real (ideal): ¡para engullir cualquier cantidad de corriente sin problemas! ¡Ay, eso 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 virtual corto" suena más fresco, ¡probablemente! ¡¿Quién sabe ?!

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

Tenga en cuenta que la existencia del "corto 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 hacia las entradas es una propiedad del opamp (idealmente).

EDIT (solicitado por un comentario)

Intentaré ser más claro con respecto a lo que dije anteriormente. El corto virtual se debe exclusivamente a dos factores clave combinados: ganancia muy alta + realimentación negativa.

Hagamos un poco de matemáticas si nos convencemos. Llamemos a \ $ V ^ + \ $ y \ $ V ^ - \ $ los voltajes en las entradas que no se invierten y que invierten 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.

Al invertir esa relación, obtienes \ $ V ^ + - V ^ - = V_o / A \ $. Por lo tanto, para \ $ V_o \ $ finito y \ $ A \ $ infinito, se obtiene que la diferencia entre las entradas se convierte en cero.

¿Dónde jugó un papel la retroalimentación negativa? En ninguna parte, hasta ahora !!! El problema es que un opamp real necesita feebdback negativo 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 muy pequeño intervalo de voltajes de entrada (asumiendo una 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 puede responderse 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 una disposición de realimentación (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 aún.

En mi clase de circuitos, no hicimos un corto virtual entre los dos porque esto puede ser confuso. En su lugar, solo 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 amplificador general circuit . Incluso en términos de amplificador dif., No hay corriente que ingrese al amplificador operacional, que (idealmente) tiene una impedancia de entrada infinita.

Como nota aparte, tenga en cuenta que las entradas del amplificador de diferencia ven diferentes impedancias de entrada, lo que es un inconveniente incorporado de la configuración.

1. Solo para despejar el aire. Si un amplificador operacional NO se usa como un comparador, en otras palabras, tiene una resistencia de retroalimentación negativa, entonces generará la diferencia entre la entrada (+) y (-) veces multiplicada por la ganancia para mantener el (+) y ( -) Entradas a la misma tensión. En el mundo real, la impedancia de entrada de un amplificador operacional nunca puede ser infinita o cero ohmios, pero se encuentra en algún lugar entre .

2. Si usa valores de resistencias demasiado bajos o altos, entonces 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 (+) está referenciada a tierra a través de una resistencia y el amplificador operacional tiene fuentes de alimentación bipolares. En este caso, la entrada (-) será una base virtual porque la entrada (+) se encuentra en el potencial de tierra.

3. Con las fuentes de alimentación de un solo extremo, la entrada (+) está sesgada con resistencias a la mitad de la tensión de alimentación, por lo que la salida tiene la misma cantidad de oscilación positiva y negativa posible. Y sí, al bucle de realimentación, la entrada (-) también estará a la mitad de la tensión de alimentación. Cualquier señal se impone a este voltaje de polarización y se amplifica de acuerdo con la relación de las resistencias de ganancia y realimentación.

4. La impedancia de entrada se controla mediante el valor de las resistencias utilizadas, pero sus valores mínimos y máximos dependen del op-amp utilizado . Un amplificador operacional CA3140T tiene una impedancia de entrada de 1.5 Giga ohmios, por lo que el uso de resistencias en el rango megohm para entrada / realimentación está bien. El amplificador operacional no está cargando las resistencias lo suficiente como para importarlas.

5. Ahora tome el amplificador operacional LM324 que tiene una impedancia de entrada aproximadamente 1,000 veces menor. Ahora descubrirá que las resistencias de realimentación por encima de 100 K comienzan a no tener la ganancia esperada, ya que el amplificador operacional actúa como una carga propia, lo que pone un límite severo en el valor máximo de resistencias que se puede usar.

6. Un buen compromiso son los amplificadores operacionales JFET como la serie TL061 / TL071 / TL081, que son muy silenciosos para el uso de audio y tienen una impedancia de entrada de 100 Megohmios. Puede usar resistencias de hasta varios megohms 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 la corriente típica de +/- 12 voltios.

7. Los amplificadores operacionales para uso de RF tienen impedancias de entrada bajas (25 a 75 ohmios) e impedancias de salida y son alimentados por 5 o 3.3 voltios, y muchos tienen suministros de +/- 5 voltios. Las bajas impedancias son tan altas que las frecuencias, a veces hasta 1 GHZ, pueden cargar y descargar la pequeña capacitancia de las entradas y manejar con facilidad cables coaxiales de 75 ohm o 50 ohm (o un par trenzado). Las corrientes de polarización en el amplificador operacional son altas, por lo que las señales pueden oscilar de manera positiva y negativa rápidamente, sin arrastre.

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