Входное сопротивление операционного усилителя: Определение, значение и руководство по расчету

Что такое типичное входное сопротивление интегрального ОУ?

Операционный усилитель (ОУ) — высоковольтный DC-усилитель напряжения с однополярным выходом и уникальным входным резистором. Базовый блок аналоговых схем. Входное сопротивление показывает соотношение напряжения и входного тока. Важно различать: сопротивление самой схемы ОУ или базовой кристалла (чипа).

Окружающая схемотехника, обратная связь и внешние компоненты меняют дифференциальное входное сопротивление и сигнал источника. Существует два вида входного сопротивления: общее (Zcm+, Zcm-) — от входных каскадов к земле, и дифференциальное (Zdiff) — между двумя входами.

Обычно они высоки и резистивны (10⁵ – 10¹² Ом). То есть ОУ — высокоомный входной прибор. Имеют параллельную емкость до 20–25 пФ. В большинстве схем с ОУ входное сопротивление инвертирующего и неинвертирующего входов можно снизить до низкого значения отрицательной обратной связью (учитывая, что дифференциальное и общее входное сопротивление важнее). Входные клеммы также критичны.

Входное сопротивление схемы с ОУ обычно высоко, так как ОУ работает как делитель напряжения. Чем выше сопротивление, тем больше напряжение падает на входах ОУ. Если низкое — нет падения напряжения, нет сигнала.

Выходное сопротивление ОУ

Аналогично входному, но показывает, насколько меняется видимое напряжение источника при увеличении выдаваемого тока. Пример: батарея без нагрузки имеет более высокое напряжение, чем под нагрузкой.

Пример: ОУ выдает 6 В, измеряем в холостом ходе — ток 0 А, напряжение 6 В. Подключаем нагрузку так, что ток 60 мА. Напряжение на нагрузке 5,99 В. Выходное сопротивление: (6 В/0 А – 5,99 В/60 мА) = 0,2 Ом.

Низкое выходное сопротивление означает, что ОУ может поглощать большой ток без существенного изменения напряжения. Входное сопротивление ОУ напоминает нагрузку того, что принимает сигнал ОУ. Выходное сопротивление ОУ — источник для следующей ступени. Источник сильно нагружен, если нагрузка имеет низкое сопротивление. Для уменьшения просадки напряжения нагрузка должна быть выше выходного сопротивления источника. Высокая нагрузка = меньше тока и мощности.

Идеальное сопротивление ОУ

Идеальное ОУ: бесконечное входное сопротивление и бесконечный коэффициент усиления. Ток во входные выводы равен нулю (нет тока в/из неинвертирующего и инвертирующего входов). Единичное усиление (unity gain) высокое.

Идеальное выходное сопротивление — ноль. Выходной ток независим от выходного напряжения. Идеальное ОУ не нужно выходное сопротивление для выдачи напряжения на нагрузку. Кратко: выходное сопротивление ноль/низкое, входное — бесконечность/высокое.

Как рассчитать входное и выходное сопротивление?

Сопротивление — отношение ΔV к ΔI (вариация напряжения к вариации тока). Можно измерить разницу входных смещающих токов от разницы входного общего напряжения.

Параметры: выходное сопротивление, уравнение открытого усиления, сопротивление источника. Принцип делителя напряжения дает входные/выходные напряжения:

(Zin/(Rs + Zin)) × Vin = Vsource — (1)

Где: Rs — сопротивление источника, Zin — входное сопротивление, Vin — опорное напряжение усилителя, Vsource — входное напряжение.

Напряжение на нагрузке: Vout × (Rload/(Rload + Zout)) = Vload — (2)

Где: Rload — нагрузочное сопротивление, Zout — выходное сопротивление усилителя, Vload — напряжение на нагрузке, Vout — выход усилителя. Vout можно заменить на Vin × Gain.

Выходное сопротивление измеримо как эквивалент Тевенена: Vo/Is = Zout — (3). I — ток короткого замыкания выхода, Vo — напряжение холостого хода. Формула из линейной связи тока и напряжения.

Почему входное сопротивление ОУ бесконечно?

Сопротивление препятствует току. В идеальном ОУ два входа с бесконечным сопротивлением, так как ток не течет в ОУ через входы. Вход «видит» и реагирует на напряжение, но не потребляет ток. ОУ не влияет на входное напряжение. Практически — микроскопическая утечка (несколько микроампер).

Почему выходное сопротивление ОУ низкое?

Напряжение на выходе постоянно даже при увеличении нагрузки. Практически у ОУ несколько омов выходного сопротивления, поэтому реальное напряжение зависит от нагрузки.

Подведение итогов

Типично для ОУ высокое входное сопротивление — это усилитель напряжения. Высокое сопротивление позволяет падению напряжения на входе, поддерживает малый потребляемый ток и избегает эффекта нагрузки. Есть вопросы по расчетам или предложения? Обращайтесь к нам.