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”?)

Nieodwracający wzmacniacz operacyjny

(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.

— Pan D.
źródło

Wiem, że ktoś napisze dobrą, szczegółową odpowiedź na to pytanie, ale krótko i słodko: twój opamp musi pozyskiwać / pochłaniać prąd przez te rezystory, więc niskie wartości = wysoki prąd. Ale , rezystory powodować hałas - i że hałas jest proporcjonalna do wartości rezystancji. Więc kompromis. Jestem pewien, że istnieją inne względy, ale są to pierwsze, które przychodzą mi do głowy.

— brhans

Nie martw się: w każdym razie dziękuję za twoją prostą odpowiedź :)

— Pan D

Ponadto przy rezystorach o wyższej wartości obwód może stać się niestabilny i może oscylować. Można temu zapobiec, dodając mały kondensator w R2. W praktyce rezystory będą miały od kilkuset omów do 1 Mega omów.

— Bimpelrekkie

@Rimpelbekkie Nie mogę w tej aplikacji zrozumieć, kiedy wartość należy uznać za „wyższą”. 100 omów w porównaniu do 10 omów? 10Kohm w porównaniu do 1Khom? I tak dalej.

— Mister D,

Przez wyższy rozumiem, że szansa na oscylacje wzrasta wraz ze wzrostem wartości rezystorów. Rzeczywista wartość rezystora, powyżej której mogą wystąpić oscylacje, zależy od opampa, więc nie ma wartości bezwzględnej. To zależy od właściwości opampa, które znajdziesz w arkuszu danych.

— Bimpelrekkie

Odpowiedzi:

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.

— Olin Lathrop
źródło

Bardzo wyczerpująca i wyczerpująca odpowiedź. Dziękuję Ci. Zrozumiałem fakt, że prąd pobierany będzie przez dwa oporniki. Weźmy przypadek, że chcę ponownie zwiększyć ten prąd z wyjścia wzmacniacza operacyjnego na wejście tranzystora (np. Tranzystor 6 A podłączony jako „emiter-follower”). Mogę zasilić ten tranzystor 5 mA ((15 V) / (3 kΩ)), czy lepiej byłoby napędzać tranzystor większym prądem, więc przy niższych wartościach rezystorów dla wzmacniacza operacyjnego?

— Pan D,

Powiedziałeś: „Co to ma znaczenie? Po pierwsze, musisz zastanowić się, czy opamp może nawet uzyskać 5 mA”. Czy możesz podać mi „prawdziwy” przykład z danym wzmacniaczem operacyjnym (TLV272)? Więc: czy może uzyskać 5 mA? Ile (maksymalny) prąd może pobierać, nie przekraczając swoich właściwości, nie uszkadzając go? Proszę o to, abym mógł przeprowadzić weryfikację z arkuszem danych, ponieważ nie jestem w stanie zinterpretować różnych wartości wzmacniacza operacyjnego w obiekcie. Więc dzięki twojemu wyjaśnieniu będę w stanie lepiej zrozumieć arkusz danych. Dziękuję Ci.

— Mister D,

@Mist: Niestety prąd wyjściowy jest słabo określony, chociaż to, co tam jest, jest dość jasne i oczywiste. Patrz dolna część tabeli na stronie 6, wyraźnie oznaczona „Prąd wyjściowy”. Przy napięciu 10 V może zwykle wynosić 13 mA, co tak naprawdę nie jest wcale specyfikacją. Musisz mocno obniżyć wartość. Jeśli to ma znaczenie, zdobądź lepiej określony opamp.

— Olin Lathrop,

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

— Peter Smith
źródło

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.

— po lewej stronie
źródło

+1 - choć myślę, że ta odpowiedź byłaby lepsza jako komentarz, IMO zasługuje na głosowanie za jasne stwierdzenie tego, co większość z nas już wie, ale to, co rzadko mówi się - że większość wzmacniaczy operacyjnych zwykle pasuje ładnie z wartościami 10k . Chciałbym nawet pójść nieco dalej, stwierdzając, że zwykły zakres wartości R dla większości popularnych aplikacji EE wynosi 100 - 100k, a wzmacniacze operacyjne to urządzenia, które najlepiej działają z wartościami w pobliżu górnej granicy. Sam znalazłem tanie wzmacniacze operacyjne, które nie chciałyby dobrze współpracować z rozdzielczością 47k-100k, obniżenie do zakresu 10k-33k sprawiło, że działały idealnie.