O que é impedância de entrada e saída de um opamp?

Eu nunca entendi impedâncias de entrada e saída de um amplificador operacional. Se alguém puder explicar o que esses dois termos significam em um amplificador operacional, eu apreciaria muito. Obrigado!

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

A resposta curta: a impedância de entrada é "alta" (idealmente infinita). A impedância de saída é "baixa" (idealmente zero). Mas o que isso significa e por que isso é útil?

Impedância é a relação entre tensão e corrente. É uma combinação de resistência (independente de frequência, resistores) e reatância (dependente de frequência, indutores e capacitores). Para simplificar a discussão, vamos apenas assumir que todas as nossas impedâncias são puramente resistivas, então impedância = resistência.

Você já sabe que a resistência relaciona tensão e corrente pela lei de Ohm:

ou talvez

Ou seja, um ohm significa que, para cada volt, você obtém um ampère. Sabemos que, se tivermos um resistor de e uma corrente de 1A , a tensão deverá ser 100V .$100\Omega$$1A$$100V$

O conceito de impedância de "entrada" e "saída" é quase a mesma coisa, exceto que estamos preocupados apenas com a mudança relativa de tensão e corrente. Isso é:

Se estamos falando sobre a impedância de entrada de um amplificador operacional, estamos falando de quanto mais corrente fluirá quando a tensão for aumentada (ou quanto menos corrente fluirá quando a tensão diminuir). Então diga a entrada para um op-amp foi , e você mediu a corrente necessária a partir da fonte de sinal para desenvolver esta tensão a ser . Então você mudou a fonte de tal forma que apareceu no op-amp, ea corrente estava agora . Você pode calcular a impedância de entrada do amplificador operacional como:$1V$$1\mu A$$3V$$2\mu A$

Normalmente, é desejável uma impedância de entrada muito alta de amplificadores operacionais, porque isso significa que é necessária muito pouca corrente da fonte para produzir uma tensão. Ou seja, um amplificador operacional não parece muito diferente de um circuito aberto, onde não é necessária corrente para produzir uma tensão, porque a impedância de um circuito aberto é infinita.

A impedância de saída é a mesma coisa, mas agora estamos falando de quanto a tensão aparente da fonte muda conforme é necessário para fornecer mais corrente. Você provavelmente observou que uma bateria sob carga tem uma tensão mais baixa do que a mesma bateria que não está sob carga. Esta é a impedância da fonte em ação.

Digamos que você configure seu amplificador operacional para emitir 5V e mede a tensão com um circuito aberto ¹ . A corrente será (porque o circuito está aberto) e a tensão que você medir será 5V. Agora, você conecta um resistor à saída, de modo que a corrente na saída do op-amp seja de . Você mede a tensão nesse resistor e acha que é de . Você pode calcular a impedância de saída do amplificador operacional como:$0A$$50mA$$4.99V$

Você notará que eu mudei o sinal do resultado. Faz sentido porque, mais tarde. Essa baixa impedância de fonte significa que o amplificador operacional pode fornecer (ou afundar) muita corrente sem que a tensão mude muito.

Há algumas observações a serem feitas aqui. A impedância de entrada do amplificador operacional se parece com a impedância de carga para o que estiver provando o sinal para o amplificador operacional. A impedância de saída do amplificador operacional se parece com a impedância da fonte para o que estiver recebendo o sinal do amplificador operacional.

Diz-se que uma fonte que está conduzindo uma carga com uma impedância de carga relativamente baixa está fortemente carregada e um sinal de tensão exigirá uma corrente alta. Na medida em que a impedância da fonte for baixa, a fonte poderá fornecer essa corrente sem que a tensão caia.

Se você deseja minimizar a queda de tensão, a impedância da fonte deve ser muito menor que a impedância de carga. Isso é chamado de ponte de impedância . É uma coisa comum a se fazer, porque geralmente representamos sinais como tensões e queremos transferir essas tensões inalteradas de um estágio para o outro. Uma alta impedância de carga também significa que não haverá muita corrente, o que também significa menos energia.

O amplificador operacional ideal possui impedância de entrada infinita e impedância de saída zero, porque é fácil diminuir a impedância de entrada (coloque um resistor em paralelo) ou a impedância da fonte mais alta (coloque um resistor em série). Não é tão fácil seguir o outro caminho; você precisa de algo que possa amplificar. Um amplificador operacional como seguidor de tensão é uma maneira de transformar uma alta impedância de fonte em uma baixa impedância de fonte.

Por fim, o teorema de Thévenin diz que podemos transformar praticamente qualquer rede elétrica linear em uma fonte de tensão e um resistor:

De fato, "impedância da fonte" pode ser definida como a resistência equivalente de Thévenin, aqui. Também funciona para cargas. Mas, a menos que você já conheça o teorema de Thévenin, isso não é uma coisa útil a dizer. No entanto, entendendo o que são impedâncias de fonte e carga, o teorema de Thévenin significa que você pode calcular uma impedância para redes lineares, independentemente da complexidade.$R_{th}$

^{1: isso não é realmente possível, porque você deve conectar os dois fios do seu voltímetro ao circuito, completando-o! Porém, seu voltímetro possui uma impedância muito alta, portanto, é suficientemente próximo de um circuito aberto que podemos considerar como tal.}

Primeiro, é importante distinguir entre a impedância de entrada e saída do próprio amplificador operacional e a impedância de entrada e saída de um circuito de amplificador operacional .

Um amplificador operacional ideal possui impedância de entrada infinita. Isso significa que não pode haver corrente dentro ou fora dos terminais de entrada inversora e não inversora

Um amplificador operacional ideal tem impedância de saída zero. Isso significa que a tensão de saída é independente da corrente de saída.

Os amplificadores operacionais reais e reais apenas se aproximam desse ideal e têm impedância de entrada muito grande e impedância de saída muito baixa.

Quando o amplificador operacional faz parte de um circuito como um amplificador, filtro, etc., a impedância de entrada do circuito será, em geral, diferente da impedância de entrada do próprio amplificador operacional.

No circuito no link, a entrada é conectada diretamente à entrada não inversora, de modo que a impedância de entrada é (efetivamente) infinita.

Além disso, a saída é conectada diretamente à saída do amplificador operacional, de modo que a impedância de saída é (aproximadamente) zero.