Op-Amp Eingangs-Impedanz verstehen: Definition, Bedeutung und Berechnungsleitfaden

Zunächst einmal: Op-Amp steht für Operationalverstärker (Operational Amplifier). Das Bauelement ist ein hochverstärkender elektronischer Spannungsverstärker (DC-gekoppelt). Er besitzt einen einseitigen Ausgang und einen charakteristischen Eingangswiderstand. Zudem ist er der grundlegende Baustein analoger elektronischer Schaltungen. Die Impedanz zeigt Ihnen den Zusammenhang zwischen Spannung und Eingangsstrom. Wenn Sie über die Eingangs-Impedanz eines Op-Amps sprechen, ist es entscheidend, klarzustellen, ob Sie den Schaltkreis oder den Basis-Chip meinen.

Was ist der Unterschied? Ersteres bezieht sich auf den Op-Amp-Schaltkreis selbst, letzteres auf die Schaltung im Chip.

Möchten Sie mehr erfahren? Keine Sorge – Sie erhalten eine Aufschlüsselung, warum die Ausgangs-Impedanz des Op-Amps niedrig ist, wie man sie berechnet und mehr.

Wie hoch ist die typische Eingangs-Impedanz eines integrierten Op-Amp-Schaltkreises?

Eingangs-Impedanz Op-Amp

Zweifelsohne können Sie die differentielle Eingangsspannungs-Impedanz ändern, indem Sie Schaltungen um den Op-Amp herum platzieren. Auch die Art der Rückkopplung und die externen elektronischen Bauteile können die gesamte Schaltungs-Eingangs-Impedanz und die Signalquelle beeinflussen.

Es gibt zwei Eingangs-Impedanzen: Common-Mode (Z_cm+ & Z_cm-) und Differenzial (Z_iff). Erstere bezieht sich auf eine Impedanz, die von den Eingangsstufen zur Masse führt. Letztere betrifft die Impedanz zwischen den beiden Eingängen.

Weiterhin sind die Impedanzen meist hoch und resistiv (10⁵ – 10¹² Ohm). Mit anderen Worten: Es ist ein Hochimpedanz-Eingangsbauelement. Es besitzt eine parallele Kapazität, die bis zu 20–25 pF betragen kann.

In den meisten Op-Amp-Schaltungen können Sie die invertierende und nicht-invertierende Eingangs-Impedanz auf einen niedrigen Wert reduzieren. Dies gelingt durch negative Rückkopplung – wobei (differentielle & Common-Mode Eingangs-Impedanz) wichtiger ist. Auch die invertierenden und nicht-invertierenden Eingangsterminals sind entscheidend.

Zusätzlich ist die Eingangs-Impedanz des Op-Amp-Schaltkreises meist hoch. Das liegt daran, dass Op-Amps wie ein Spannungsteiler arbeiten.

Je höher die Impedanz, desto mehr Spannung fällt an den Op-Amp-Eingängen ab. Ist die Eingangs-Impedanz niedrig, hat Ihr Schaltkreis keinen Spannungsabfall. Folglich erhalten Sie keine Signale.

Ausgangs-Impedanz Op-Amp

Die Ausgangs-Impedanz des Op-Amps ähnelt der Eingangs-Impedanz. Sie bezieht sich jedoch darauf, wie stark die scheinbare Spannung der Quelle sich ändert, wenn sie mehr Strom liefern muss. Beispiel: Sie können die Stromquellen-Impedanz beobachten, wenn eine unbeanspruchte Batterie eine höhere Spannung hat als eine unter Last stehende Batterie.

Op-Amp Differenzverstärker

Quelle: Wikimedia Commons

Beispiel: Ihr Op-Amp hat ein 6V-Ausgangssignal, und Sie messen die Potentialdifferenz mit einem offenen Stromkreis. Da der Stromkreis offen ist, beträgt Ihr Strom 0 A. Die Spannung hingegen 6 V. Nun verbinden Sie Ihren Ausgang mit einem Rückkopplungswiderstand. Und zwar so, dass der Ausgangsstrom des Op-Amp-Rückkopplungskreises 60 mA beträgt.

Sie können die Spannung am Widerstand messen und erhalten ca. 5,99 V.

Daraus lässt sich die Ausgangs-Impedanz des Op-Amps berechnen:

-6V/0mA – 5,99V/60mA = 0,2 Ohm.

Warum hat sich die Einheit des Ergebnisses geändert? Erstens zeigt die niedrige Quellenimpedanz an, dass der Op-Amp viel Strom senken kann, ohne signifikante Spannungsänderung. Zweitens werden Sie feststellen, dass die Eingangs-Impedanz des Op-Amps der Lastimpedanz desjenigen ähnelt, der das Op-Amp-Ausgangssignal anzeigt.

Zusätzlich ähneln die Ausgangs-Impedanz des Op-Amps und das Ausgangspotential der Quellenimpedanz des Empfängers des Op-Amp-Signals. Es ist stark belastet, wenn eine Quelle eine Last mit moderat niedriger Lastimpedanz und Versorgungsstrom ansteuert. Auch das Spannungssignal benötigt einen hohen Strom und größere Verstärkung.

Doch selbst bei niedriger Quellenimpedanz kann die Quelle Strom liefern, ohne Spannungseinbruch (Voltage Sagging). Um Spannungseinbrüche zu reduzieren, stellen Sie sicher, dass die Lastimpedanz größer ist als die Quellenimpedanz.

Daher bedeutet hohe Lastimpedanz weniger Strom und Leistung bei hoher Lastimpedanz.

Ideale Op-Amp-Impedanz

Eines der Merkmale einer idealen Op-Amp-Impedanz ist unendliche Eingangs-Impedanz und unendliche Verstärkung. Das bedeutet, der Stromfluss in die Eingangsleitungen ist null. Dies geschieht, weil kein Strom in die Eingangsterminals (nicht-invertierend und invertierend) ein- oder austritt. Daher wird es eine höhere Einheitsverstärkung (Unity Gain) geben.

Weiterhin hat der ideale Op-Amp eine Ausgangs-Impedanz von null. Das bedeutet, der Ausgangsstrom ist unabhängig von der Ausgangsspannung. Der ideale Op-Amp benötigt also keine Ausgangs-Impedanz, um Last anzusteuern und Spannung darüber abzugeben.

Kurz gesagt: Die Ausgangs-Impedanz ist null oder niedrig. Im Gegensatz dazu ist die Eingangs-Impedanz unendlich oder hochohmig (High-Input-Impedance).

Wie berechnet man Eingangs- und Ausgangs-Impedanz?

Da Impedanz den Zusammenhang zwischen Spannung und Strom zeigt, können wir sie als Verhältnis von ΔI zu ΔV darstellen. ΔI steht für Stromänderung, ΔV für Spannungsänderung.

Sie können auch den Unterschied im Eingangs-Bias-Strom gegen den Unterschied im gemeinsamen Eingangsmodus-Spannungsbereich messen.

Sie benötigen Parameter wie Ausgangs-Impedanz, Offenverstärkungs-Gleichung und Quellenimpedanz. Damit können Sie das Spannungsteilerprinzip nutzen, um Ein- und Ausgangsspannungen zu erhalten.

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

Wobei:

• Rs — Quellenimpedanz
• Zin — Eingangs-Impedanz
• Vin — Referenzspannung des Verstärkers
• Vsource — Eingangsspannung

Damit können Sie auch die Ausgangslastspannung mit der folgenden Formel berechnen:

Vout × (Rload/(Rload + Zout)) = Vload — (2)

Wobei:

• Rload — Lastwiderstand
• Zout — Ausgangs-Impedanz des Verstärkers
• Vload — Spannung an der Last
• Vout — Ausgang des Verstärkers

Sie können Vout auch durch die Eingangsspannungsverstärkung ersetzen.

Ist es möglich, die Ausgangs-Impedanz zu messen? Natürlich. Aber Sie müssen sie als Thevenin-äquivalenten Schaltkreis messen:

• Vo/Is = Zout — (3)
• Wobei:
• I — Ausgangsstrom bei Kurzschluss des Ausgangs
• Vo — Ausgangsspannung bei offenem Ausgang

Wichtig: Die obige Formel stammt aus der linearen Beziehung zwischen Strom und Ausgangsspannung.

Op-Amp Spannungsverstärker

Quelle: Wikimedia

Warum ist die Eingangs-Impedanz des Op-Amps unendlich?

Typischerweise zeigt Impedanz den Widerstand eines Schaltkreises gegen Stromfluss (Gleich- oder Wechselstrom). In einem idealen Op-Amp haben wir zwei Eingangsterminals der Impedanz, die unendlich sind. Sie sind unendlich, weil kein Strom vom Eingangsterminal in den Op-Amp fließt.

Dadurch kann der Eingang Spannung „sehen“ und darauf reagieren. Aber die Spannung würde keinen Strom in den Op-Amp leiten.

Mit anderen Worten: Der Op-Amp beeinflusst die Eingangsspannung nicht. Praktisch werden Sie jedoch einen winzigen Leckstrom in den Eingangsschaltungen des Op-Amps bemerken (meist weniger als wenige Milliampere).

Warum ist die Ausgangs-Impedanz des Op-Amps niedrig?

Die Ausgangs-Impedanz des Op-Amps ist niedrig, weil die Spannung, die der Ausgang liefert, konstant ist. Sie bleibt konstant, auch wenn der Ausgang an einen Schaltkreis angeschlossen wird, der die Last erhöht.

Praktisch sehen Sie jedoch, dass Op-Amps meist einige Ohm in der Ausgangs-Impedanz haben. Daher wird die tatsächliche Spannung am Ausgangsterminal je nach angeschlossener Last variieren.

Abschluss

Es ist typisch, dass die Eingangs-Impedanz eines Op-Amps hoch ist. Schließlich ist der Op-Amp ein spannungsverstärkendes Bauelement. Eine hohe Impedanz erlaubt Spannungsabfall am Eingang. Sie hilft auch, einen niedrigen Stromverbrauch beizubehalten und den Belastungseffekt (Loading Effect) zu vermeiden.

Was denken Sie zum Thema? Brauchen Sie Hilfe bei den Berechnungen? Oder haben Sie Fragen oder Anregungen? Bitte kontaktieren Sie uns gerne.