Wybór wartości rezystora dla wzmacniacza odwracającego i dlaczego?

Zysk tutaj wynosi A = -R _f / Rin. Powiedzmy jednak, że chcę wzmocnienia o wartości 10 V / V. Jaką wartość rezystora wybierzesz i dlaczego?

Wiem, że możesz mieć nieskończoną liczbę kombinacji dla tych rezystorów, ale dlaczego ktoś miałby używać określonej wartości. tj R _f = 100MOhm R _z = 10MOhm daje zysk 10 V / V, ale też R _f = 10 omów, a R _w = 1 omów daje zysk 10 V / V. Jaka byłaby różnica w projekcie?

Moje myśli mówią, że rezystory o wyższej wartości nie są precyzyjne, więc nie dałoby to precyzyjnego wzmocnienia, a użycie rezystorów o niższej wartości pochłania wyższy prąd ze źródła (V _in ). Czy są jakieś inne powody? Daj mi również znać, czy mam rację, czy też źle.

Wadą jest wybór bardzo dużych rezystorów i bardzo małych rezystorów. Zwykle dotyczą one nie idealnego zachowania komponentów (mianowicie wzmacniaczy operacyjnych) lub innych wymagań projektowych, takich jak moc i ciepło.

Małe rezystory oznaczają, że potrzebujesz znacznie większego prądu, aby zapewnić odpowiednie spadki napięcia dla wzmacniacza operacyjnego. Większość wzmacniaczy operacyjnych jest w stanie dostarczyć 10 mA (szczegółowe informacje zawiera arkusz danych wzmacniacza operacyjnego). Nawet jeśli wzmacniacz operacyjny może zapewnić wiele wzmacniaczy, w rezystorach powstanie dużo ciepła, co może być problematyczne.

Z drugiej strony duże rezystory napotykają dwa problemy dotyczące nie idealnego zachowania terminali wejściowych wzmacniacza operacyjnego. Przyjmuje się mianowicie, że idealny wzmacniacz operacyjny ma nieskończoną impedancję wejściową. Fizyka nie lubi nieskończoności, aw rzeczywistości do końcówek wejściowych płynie pewien skończony prąd. Może to być coś w rodzaju dużego (kilka mikroamperów) lub małego (kilka pikoamperów), ale nie jest to 0. Nazywa się to prądem wejściowym polaryzacji wejściowej wzmacniaczy operacyjnych .

Problem jest skomplikowany, ponieważ istnieją dwa terminale wejściowe i nic nie zmusza ich do uzyskania dokładnie takiego samego prądu wejściowego polaryzacji. Różnica jest znana jako wejściowy prąd przesunięcia i jest zazwyczaj dość niewielki w porównaniu do wejściowego prądu odchylenia. Stanie się jednak problematyczne z bardzo dużą rezystancją w bardziej irytujący sposób niż prądy polaryzacji wejściowej (wyjaśnione poniżej).

Oto schemat na nowo narysowany w celu uwzględnienia tych dwóch efektów. Zakłada się, że wzmacniacz operacyjny jest „idealny” (istnieją inne nie idealne zachowania, które tutaj ignoruję), a te nie idealne zachowania zostały wymodelowane przy użyciu idealnych źródeł.

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony za pomocą CircuitLab}

Zauważ, że istnieje dodatkowy rezystor R2. W twoim przypadku R2 jest bardzo mały (zbliżający się do zera), więc niewielki opór razy mały prąd polaryzacji I2 jest bardzo małym napięciem na R2.

Zauważ jednak, że jeśli R1 i R3 są bardzo duże, prąd płynący do wejścia odwracającego jest bardzo mały, w tej samej kolejności co (lub gorzej, mniejszy niż) I1. Spowoduje to zmniejszenie zysku zapewnianego przez obwód (pozostawię pochodną matematyczną jako ćwiczenie czytelnikowi: D)

Nie wszystko stracone tylko dlatego, że występuje duży prąd odchylenia! Spójrz, co się stanie, jeśli zrównasz R2 z R1 || R3 (kombinacja równoległa): jeśli I1 i I2 są bardzo blisko siebie (niski prąd przesunięcia wejściowego), możesz zneutralizować wpływ prądu polaryzacji wejściowej! Jednak to nie rozwiązuje problemu z prądem przesunięcia wejściowego, a jest jeszcze więcej problemów z obsługą dryftu.

Nie ma naprawdę dobrego sposobu na przeciwdziałanie prądowi przesunięcia wejściowego. Można mierzyć poszczególne części, ale części dryfują z czasem. Prawdopodobnie lepiej jest użyć na początku lepszej części i / lub mniejszych rezystorów.

Podsumowując: wybierz wartości w środkowym przedziale. Oznacza to, że jest to trochę niejasne, musisz zacząć zbierać części, przeglądać arkusze danych i decydować, co jest dla ciebie „wystarczająco dobre”. 10 kiloomów może być dobrym początkiem, ale nie jest to uniwersalne. I prawdopodobnie zwykle nie będzie 1 idealnej wartości. Jest bardziej niż prawdopodobne, że będzie zakres wartości, które zapewnią akceptowalne wyniki. Następnie musisz zdecydować, których wartości użyć na podstawie innych parametrów (na przykład, jeśli używasz już innej wartości, może to być dobry wybór, aby można było zamówić zbiorczo i obniżyć cenę).

W konkretnym obwodzie wzmacniacza operacyjnego napięcie na złączu Rf i Rin jest takie samo jak napięcie na wejściu nieodwracającym. Tak musi być - nazywa się to wirtualną ziemią. Biorąc to pod uwagę, oznacza to, że twój sygnał (Vin) widzi impedancję wejściową dokładnie Rin. Oznacza to również, że twoje wyjście (bez łączenia się z czymkolwiek innym) musi napędzać obciążenie wyjściowe, którym jest Rf.

Te dwa fakty zwykle dyktują, że Rf i Rin nie są bardzo małe, tj. Mają 50 omów lub więcej.

Wzmacniacz operacyjny ma inne cechy, co oznacza, że ​​musisz unikać wartości rezystora wysokiej klasy. To są: -

• Pasożytnicza pojemność od wyjścia do wejścia odwracającego (w efekcie równolegle z Rf). Jeśli Rf jest zbyt duży, odpowiedź częstotliwościowa obwodu jest ograniczona na górnym końcu widma.
• Pojemność wejściowa może powodować pewne niestabilności, jeśli Rin jest zbyt duży
• Szum rezystora z temperaturą - jest to dobrze znane zjawisko i oznacza, że ​​w przypadku wymagań dotyczących niskiego poziomu szumów Rf i Rin nie powinny być zbyt duże.
• Prądy upływowe do i z wejść powodują błędy prądu stałego, jeśli rezystory są zbyt duże.

Myślę, że na razie wystarczy!

• Jedną z ważnych różnic jest impedancja wejściowa, którą widzi V (IN), która jest równa R (IN).
• Inną ważną różnicą jest to, że dzięki opornikom o wysokiej impedancji łatwiej wychwytujesz szum, a prąd polaryzacji wejściowej OPAMP będzie miał większy wpływ na przesunięcie napięcia wyjściowego.
• Pamiętaj również, że wyjście musi być w stanie sterować rezystorem R (F).

Po pierwsze, schemat jest wzmacniaczem odwracającym, a nie nieodwracającym, jak w nagłówku pytania.

Istnieje kilka typowych rezystorów, które zapewniają dobre stosunki wzmocnienia, a jeszcze lepsze, wspólne precyzyjne rezystory o niskim współczynniku temperaturowym i niezłym współczynniku rezystancji. W miarę możliwości lubię używać precyzyjnych części. (To samo dotyczy nasadek w wzmacniaczach operacyjnych, takich jak integratory - precyzja styropianu i stabilność temperaturowa). Jak 10 K / 1 K lub 33 K / 3,3 K. Powyżej 100 K / 10 K Rezystancja staje się na tyle wysoka, że ​​mała pojemność w obwodzie zaczyna przekształcać obwód w integrator lub wyróżnik (lub filtr dolnoprzepustowy).

Bardzo niskie wartości Rin obciążają wejście, a wysokie wartości Rf zwiększają impedancję wyjściową. Problemy te można łatwo pokonać. Większość pakietów wzmacniaczy operacyjnych ma więcej niż jeden OA. Użyj jednego jako popychacza napięcia i jako wejścia do twojego OA, który ma zysk. Twój całkowity obwód ma bardzo wysoką impedancję wejściową, a twój OA ze wzmocnieniem widzi bardzo niską impedancję na swoim wejściu i możesz użyć niskich wartości lub Rin. Możesz również użyć popychacza OA na wyjściu, aby uzyskać wysoki prąd napędu i niską impedancję wyjściową. Możesz nawet łatwo skonfigurować wyjście tak, aby pasowało do impedancji następnego obwodu lub kabla koncentrycznego itp. Lubię używać precyzyjnych rezystorów niskotemperaturowych lub garnków niskiej tempco (lub garnków cyfrowych) do Rf i przycinania dla wzmocnienia.

Użyłem 1M / 1K dla wzmocnienia 1000 (2 z rzędu daje 1 milion) z dolnoprzepustowym dla sejsmologii, ale jest to przepustowość kilku Hz i działa nawet z niskim uA741. LM308 wymaga znacznie mniej wykończenia. Dobre nowoczesne OA są świetne w porównaniu. Jeśli dostaniesz się do obszaru 10M do 100M dla Rf, twoja przepustowość spadnie, a hałas wzrośnie.

Twierdzenie, że „rezystory o wyższej wartości nie są precyzyjne, więc nie dałoby ci precyzyjnego wzmocnienia”, samo w sobie nie jest do końca prawdziwe (ale jest prawdziwe przez proxy z innych powodów, co omówię poniżej).

$$R_\text{nominal}(1 - x) \leq R_{\text{actual}} \leq R_\text{nominal}(1 + x)$$ $$\frac{R_{1,\text{nominal}}(1-x)}{R_{2,\text{nominal}}(1+x)} \leq \left(\frac{R_1}{R_2}\right)_\text{actual} \leq \frac{R_{1,\text{nominal}}(1+x)}{R_{2,\text{nominal}}(1-x)}$$

Po pierwsze, należy zauważyć, że tolerancja współczynnika jest wyższa niż tolerancja poszczególnych rezystorów. Warto o tym pamiętać, jeśli chcesz uzyskać precyzyjny zysk. Jednak tolerancja wzmocnienia nie rośnie wraz z nominalnymi wartościami rezystancji, o ile stosunek jest stały.

---

Jednak bardzo duże rezystory zmniejszają precyzję z innych powodów. Dwa, które zostały już wspomniane w innych odpowiedziach, to (i) wpływ prądu polaryzacji i prądu przesunięcia; (ii) Hałas Johnsona.

Innym powodem, o którym nie wspomniano, jest to, że bardzo duże rezystory zaczynają być porównywalne z odpornością środowiska (np. PCB), szczególnie w obecności wilgoci i / lub zasolenia. To czyni ich nieprecyzyjny, ponieważ są one obecnie postrzegane przez obwód równolegle z tym, co się wokół nich.

Podsumowując, staraj się unikać oporności większych niż 1MOhm, jeśli to możliwe, i naprawdę staraj się unikać wszystkiego powyżej 10MOhm. Na drugim końcu spektrum około 1k jest zwykle dolną granicą.