Wybierz lepsze wartości (pod względem zakresu) dla rezystorów w tym nieodwracającym obwodzie wzmacniacza operacyjnego

Obecnie patrzę na wzmacniacze operacyjne; z tego, co widziałem, implementacja ich w obwodzie jest dość prosta, przynajmniej wtedy, gdy są one połączone jako „nieodwracające”. Określenie wzmocnienia / wzmocnienia jest możliwe poprzez wykonanie obliczeń dwóch rezystorów, R1 i R2 (czy R2 należy nazwać „rezystorem sprzężenia zwrotnego”?)

(Zdjęcie pochodzi z http://mustcalculate.com/electronics/noninvertingopamp.php .)

Pozwól mi zrobić praktyczny przykład, aby wyjaśnić, gdzie są moje pytania:

W moim przykładzie wybrałem implementację wzmacniacza operacyjnego (na przykład TLV272 , który jest również „szyną do szyny”) jako „wzmacniacza nieodwracającego”. Następnie chcę zwiększyć napięcie z 10 woltów do 15 woltów (dla pewności zasilę wzmacniacz operacyjny zasilaczem 15 woltów). Cóż: według równania muszę wybrać wartość 20 kΩ dla R1 i wartość 10 kΩ dla R2, co jest równe wzmocnieniu 3,522 dB (wzrost napięcia 1,5).

OK, ale mógłbym zrobić to samo, wybierając R1 jako 200 kΩ i R2 jako 100 kΩ, lub zwiększaj te wartości, aż R1 wynosi 200 MΩ i R2 wynosi 100 MΩ (lub całkowicie przeciwnie: R1 2 miliohm i R2 1 miliohm): we wszystkich tych przypadkach nadal będę miał zysk 1,5, ale z całkowicie innymi zakresami rezystorów, pod względem wartości.

Nie rozumiem kryteriów (w zakresie zasięgu), w jaki sposób należy wybrać te rezystory. Może te kryteria są związane z rodzajem sygnału, którym wzmacniacz operacyjny będzie musiał manipulować na swoim wejściu? Czy co jeszcze? A w praktycznym przykładzie, jaka będzie różnica, jeśli zwiększę sygnał za pomocą „R1 = 2 kΩ R2 = 1 kΩ” i „R1 = 200 MΩ R2 = 100 MΩ”?

EDYCJA: Widziałem, że moje pytanie zostało zredagowane, również w celu poprawienia gramatyki: dziękuję. Przepraszam za moje błędy ortograficzne, ale angielski nie jest moim głównym językiem. Następnym razem postaram się poprawić dokładność gramatyki.

Jak się zorientowałeś, wzmocnienie jest tylko funkcją stosunku dwóch rezystorów. Dlatego na pierwszy rzut oka 2 kΩ / 1 kΩ i 2 MΩ / 1 MΩ są równoważne. Są, najlepiej, pod względem zysków, ale istnieją inne względy.

Największym oczywistym czynnikiem jest prąd pobierany przez dwa oporniki z wyjścia. Przy wyjściu 15 V kombinacja 2kΩ / 1kΩ przedstawia obciążenie 3 kΩ i pobiera (15 V) / (3 kΩ) = 5 mA. Kombinacja 2MΩ / 1MΩ podobnie pobierze tylko 5 µA.

Co to ma znaczenie? Najpierw musisz zastanowić się, czy opamp może nawet pobierać 5 mA oprócz obciążenia, jakie chcesz napędzać. Być może 5 mA nie stanowi problemu, ale oczywiście gdzieś jest granica. Czy to źródło 50 mA? Może, ale prawdopodobnie nie. Nie można po prostu obniżać R1 i R2, nawet utrzymywać ten sam stosunek i utrzymywać obwód w dalszym ciągu działający.

Nawet jeśli opamp może dostarczyć prąd dla wybranej wartości R1 + R2, musisz rozważyć, czy chcesz wydać ten prąd. Może to być prawdziwy problem w urządzeniu zasilanym bateryjnie. Ciągły drenaż 5 mA może być znacznie większy niż reszta obwodu i główny powód krótkiej żywotności baterii.

Istnieją również inne ograniczenia przy wysokich oporach. Węzły o wysokiej impedancji są ogólnie bardziej podatne na wychwytywanie szumu, a rezystor o wysokiej wartości ma bardziej naturalny szum.

Żaden opamp nie jest idealny, a jego impedancja wejściowa nie jest równa zero. Dzielnik R1 i R2 tworzą źródło napięcia o impedancji R1 // R2 napędzające odwracające wejście opampa. W przypadku 2MΩ / 1MΩ ta równoległa kombinacja wynosi 667 kΩ. To musi być małe w porównaniu do impedancji wejściowej opampa, w przeciwnym razie wystąpi znaczny błąd przesunięcia. Należy również uwzględnić prąd obciążenia wejściowego opamp. Na przykład, jeśli wejściowy prąd polaryzacji wynosi 1 µA, wówczas napięcie przesunięcia spowodowane przez źródło 667 kΩ sterujące wejściem wynosi 667 mV. To duży błąd, który jest mało prawdopodobny.

Innym problemem związanym z wysoką impedancją jest niska przepustowość. Zawsze będzie trochę pasożytniczej pojemności. Powiedzmy na przykład, że sieć podłączona do dwóch rezystorów i wejście odwracające ma pojemność 10 pF do ziemi. Przy napędzaniu go przez 667 kΩ masz filtr dolnoprzepustowy przy zaledwie 24 kHz. Może to być dopuszczalne w przypadku aplikacji audio, ale poważny problem w wielu innych aplikacjach. Możesz uzyskać znacznie mniejszy zysk przy wysokich częstotliwościach, niż można się spodziewać po iloczynie opampa i wzmacniaczu sprzężenia zwrotnego.

Podobnie jak wszystko w inżynierii, jest to kompromis. Masz dwa stopnie swobody w wyborze dwóch oporników. Zysk, którego chcesz, obniża się tylko o jeden stopień. Musisz zdecydować się na obecne wymagania i impedancję wyjściową, aby zdecydować o drugim.

Jak wspomniano powyżej, rezystory sprzężenia zwrotnego o niskiej wartości mają stosunkowo wysoki prąd, który musi zasilać wzmacniacz. We wzmacniaczu odwracającym Rin ustawia impedancję wejściową, więc najlepiej nie mieć zbyt niskiej wartości, ponieważ źródło sygnału musi to sterować.

Na drugim końcu skali bardzo duże rezystory nie tylko generują hałas (szum termiczny lub Johnson), ale ze względu na naturalną pojemność * części tworzą filtr w pętli sprzężenia zwrotnego, co w najgorszym przypadku może podważyć stabilność pętli wzmacniacza. Niezależnie od zmiany odpowiedzi prądu zmiennego obwodu w interesujący i przyciągający włosy sposób, efekt ten pogarsza się przy niższych zyskach, a przy zyskach poniżej 4 (zwykle zależy od konkretnego wzmacniacza) może gryźć dość boleśnie. Rzeczywiście, istnieje wiele wzmacniaczy zaprojektowanych specjalnie w celu uzyskania minimalnego wzmocnienia i są niestabilne poniżej tego wzmocnienia (korzyści obejmują lepszą specyfikację stanów nieustalonych).

Zasadniczo ograniczam rezystory sprzężenia zwrotnego do nie więcej niż ~ 220k dla konfiguracji odwracających lub nieodwracających. Jeśli to nie daje wystarczającego wzmocnienia, użyj dodatkowego stopnia wzmocnienia.

Istnieją sztuczki, które można wykonać (sieć rezystorów T w pętli sprzężenia zwrotnego jest dobrze znana), aby zwiększyć wzmocnienie pojedynczego stopnia, ale wzmacniacze są tanie i zajmują znikomą przestrzeń.

W topologii odwracania wybór rezystora sprzężenia zwrotnego zależy przede wszystkim od wymagań źródła sygnału, które ustawia rozmiar rezystora wejściowego (zwykle minimalny).

• Staje się to jasne, gdy definiuje się pojemność jako istniejącą między dowolnymi dwoma punktami o różnym potencjale elektrycznym

HTH

Aby dać naprawdę krótką odpowiedź: coś w zakresie dziesiątek kΩ prawdopodobnie będzie dobre (w przypadku większości modeli wzmacniaczy operacyjnych i większości aplikacji). Wypróbuj 40 kΩ dla R ₁ i 20 kΩ dla R ₂ .

Nie jest to oczywiście idealne we wszystkich okolicznościach, ale zwykle powinno działać dobrze z rozsądnym kompromisem między zużyciem energii a poziomem hałasu. Olin Lanthrop i Peter Smith szczegółowo wyjaśnili, jakie wady występują przy zbyt wysokich lub zbyt niskich wartościach oporu.