Выберите лучшие значения (с точки зрения диапазона) для резисторов в этой неинвертирующей схеме операционного усилителя.

11

В эти дни я смотрю на операционные усилители; из того, что я видел, реализовать их в схеме довольно просто, по крайней мере, когда они подключены как «неинвертирующие». Определение усиления / усиления возможно путем вычисления двух резисторов, R1 и R2 (должен ли R2 называться «резистором обратной связи»?)

Неинвертирующий операционный усилитель

(Изображение взято с http://mustcalculate.com/electronics/noninvertingopamp.php .)

Позвольте мне сделать практический пример, чтобы объяснить, где мои вопросы:

В моем примере я выбрал реализацию операционного усилителя (например, TLV272 , который также является «рельсом к рельсу») в качестве «неинвертирующего усилителя». Затем я хочу увеличить напряжение с 10 вольт до 15 вольт (чтобы быть уверенным, я запитаю операционный усилитель источником питания 15 вольт). Хорошо: по уравнению я должен выбрать значение 20 кОм для R1 и значение 10 кОм для R2, ​​которое равно усилению 3,522 дБ (усиление по напряжению 1,5).

Хорошо, но я также мог бы сделать то же самое, выбрав R1 как 200 кОм и R2 как 100 кОм, или увеличить эти значения до R1 200 мОм и R2 до 100 мОм (или при совершенно противоположном: R1 2 мОм и R2 1 Миллиом): во всех этих случаях у меня все еще будет коэффициент усиления 1,5, но с совершенно разными диапазонами резисторов, с точки зрения значений.

Я не могу понять критерии (с точки зрения диапазона), как эти резисторы должны быть выбраны. Может быть, этот критерий связан с типом сигнала, которым операционный усилитель будет манипулировать на своем входе? Или что еще? И в практическом примере, какая будет разница, если я увеличу сигнал, используя «R1 = 2 кОм R2 = 1 кОм» и «R1 = 200 МОм, R2 = 100 МОм»?

РЕДАКТИРОВАТЬ: я видел, что мой вопрос был отредактирован, а также исправить грамматику: спасибо. Я прошу прощения за мои опечатки, но английский не мой основной язык. В следующий раз я попытаюсь быть более точным в моей грамматике.

Мистер Д
источник
6
Я знаю, что кто-то напишет хороший длинный подробный ответ на этот вопрос, но короткий и приятный: ваш операционный усилитель должен подавать / пропускать ток через эти резисторы, поэтому низкие значения = высокий ток. Но резисторы вызывают шум - и этот шум пропорционален значению сопротивления. Так что компромисс. Я уверен, что есть и другие соображения, но это первые, которые приходят на ум.
Brhans
Не волнуйтесь: спасибо, в любом случае, за ваш простой ответ :)
Мистер Д
Кроме того, при использовании резисторов более высокого значения схема может стать нестабильной и может колебаться. Вы можете предотвратить это, добавив небольшой конденсатор через R2. На практике резисторы будут в диапазоне от нескольких сотен Ом до 1 Мегаом.
Bimpelrekkie
@Rimpelbekkie Я не могу понять, в этом приложении, когда значение следует считать «более высоким». 100 Ом по сравнению с 10 Ом? 10Ком по сравнению с 1Ком? И так далее.
Мистер Д
Под более высоким я подразумеваю, что вероятность возникновения колебаний возрастает с увеличением значения резисторов. Фактическое значение резистора, выше которого могут возникать колебания, зависит от операционного усилителя, поэтому абсолютного значения не существует. Это зависит от свойств операционного усилителя, который вы найдете в техническом описании.
Bimpelrekkie

Ответы:

17

Как вы уже поняли, коэффициент усиления зависит только от отношения двух резисторов. Следовательно, на первый взгляд 2 кОм / 1 кОм и 2 МОм / 1 МОм эквивалентны. Они в идеале с точки зрения выигрыша, но есть и другие соображения.

Самым большим очевидным соображением является ток, который оба резистора получают из выходного сигнала. При 15 В на выходе комбинация 2 кОм / 1 кОм представляет нагрузку 3 кОм и потребляет (15 В) / (3 кОм) = 5 мА. Комбинация 2MΩ / 1MΩ также потребляет только 5 мкА.

Какое это имеет значение? Во-первых, вы должны подумать, может ли операционный усилитель выдавать 5 мА в дополнение к той нагрузке, которую вы хотите использовать. Возможно, 5 мА не проблема, но, очевидно, где-то есть предел. Может ли источник 50 мА? Возможно, но, вероятно, нет. Вы не можете просто продолжать снижать R1 и R2, даже сохраняя их соотношение одинаковым, и продолжать работу схемы.

Даже если операционный усилитель может подавать ток для выбранного вами значения R1 + R2, вы должны решить, хотите ли вы потратить этот ток. Это может быть реальной проблемой в устройстве с батарейным питанием. Непрерывный ток 5 мА может быть намного больше, чем требуется остальной части цепи, и является основной причиной короткого срока службы батареи.

Есть и другие ограничения при высоких сопротивлениях. Узлы с высоким импедансом в целом более восприимчивы к улавливанию шума, а у резисторов высокого значения больше собственных шумов.

Ни один операционный усилитель не идеален, а его входное сопротивление не равно нулю. Делители R1 и R2 образуют источник напряжения полного сопротивления R1 // R2, управляющий инвертирующим входом операционного усилителя. При 2 МОм / 1 МОм эта параллельная комбинация составляет 667 кОм. Это должно быть мало по сравнению с входным сопротивлением операционного усилителя, иначе будет существенная ошибка смещения. Ток смещения входа операционного усилителя также должен быть принят во внимание. Например, если входной ток смещения составляет 1 мкА, то напряжение смещения, вызванное источником 667 кОм, управляющим входом, составляет 667 мВ. Это большая ошибка, которая вряд ли будет приемлемой.

Другая проблема с высоким импедансом - низкая пропускная способность. Там всегда будет какая-то паразитная емкость. Скажем, например, что сеть, подключенная к двум резисторам и инвертирующему входу, имеет емкость 10 пФ относительно земли. При мощности 667 кОм у вас есть фильтр низких частот только на 24 кГц. Это может быть приемлемо для аудио приложения, но серьезная проблема во многих других приложениях. На высоких частотах вы можете получить намного меньше усиления, чем вы ожидаете получить от коэффициента усиления полосы пропускания операционного усилителя и усиления обратной связи.

Как и во всем в машиностроении, это компромисс. У вас есть две степени свободы в выборе двух резисторов. Вы хотите получить только один градус. Вы должны обменять текущие требования и выходное сопротивление, чтобы решить второе.

Олин Латроп
источник
Очень исчерпывающий и исчерпывающий ответ. Спасибо. Я понял факт про ток, который будут подавать два резистора. Давайте возьмем случай, когда я хочу снова увеличить этот ток с выхода операционного усилителя на вход транзистора (например, транзистор на 6 ампер, подключенный как «эмиттер-повторитель»). Я могу питать этот транзистор 5 мА ((15 В) / (3 кОм)), или лучше было бы управлять транзистором с большим током, поэтому с более низкими значениями резисторов для операционного усилителя?
Мистер Д
Вы заявили: «Что это имеет значение? Во-первых, вы должны подумать, может ли операционный усилитель выдавать 5 мА». Можете ли вы привести «реальный» пример с данным операционным усилителем (TLV272)? Итак: может ли он быть источником 5 мА? Какой (максимальный) ток может быть источником, не превышая его характеристики, не повреждая его? Я спрашиваю об этом, чтобы я мог проверить с помощью таблицы данных, потому что я не очень способен интерпретировать различные значения операционного усилителя в объекте. Итак, с вашим объяснением я смогу лучше понять спецификацию. Спасибо.
Мистер Д
@Mist: К сожалению, выходной ток плохо указан, хотя то, что там, вполне понятно и очевидно. См. Нижнюю часть таблицы на странице 6, четко обозначенную как «Выходной ток». При напряжении 10 В источник питания обычно может составлять 13 мА, что на самом деле совершенно не соответствует спецификации. Вы должны сильно снизить. Если это имеет значение, получите лучше определенный операционный усилитель.
Олин Латроп
5

Как упомянуто выше, резисторы обратной связи низкого значения имеют относительно высокий ток, который усилитель должен возбуждать. В инвертирующем усилителе Rin устанавливает входное сопротивление, поэтому лучше не иметь слишком низкое значение, потому что источник сигнала должен управлять этим.

На другом конце шкалы очень большие резисторы не только создают шум (термический или шум Джонсона), но и из-за естественной емкости * детали формируют фильтр в контуре обратной связи, который в худшем случае может подорвать стабильность контура. усилителя. Помимо изменения отклика переменного тока вашей схемы интересными и захватывающими способами, этот эффект ухудшается при более низких коэффициентах усиления, а при коэффициентах усиления ниже 4 (как правило, зависит от конкретного усилителя) может довольно сильно кусаться. Действительно, существует множество усилителей, специально разработанных для того, чтобы иметь минимальное усиление и нестабильно ниже этого усиления (преимущества включают в себя лучшие переходные характеристики).

Как правило, я ограничиваю резисторы обратной связи не более ~ 220 кОм для инвертирующих или неинвертирующих конфигураций. Если это не дает достаточного усиления, используйте дополнительную стадию усиления.

Есть приемы, которые можно сделать (сеть резисторов Т в контуре обратной связи хорошо известна), чтобы повысить коэффициент усиления одиночной ступени, но усилители дешевы и занимают незначительное место.

В инвертирующих топологиях выбор резистора обратной связи в основном определяется требованиями источника сигнала, который устанавливает размер входного резистора (обычно минимальный).

  • Это становится понятным, если определить емкость как существующую между любыми двумя точками разного электрического потенциала.

НТН

Питер Смит
источник
5

Чтобы дать действительно короткий ответ: что-то в диапазоне десятков кОм , вероятно, будет хорошим (с большинством моделей операционных усилителей и для большинства приложений). Попробуйте 40 кОм для R 1 и 20 кОм для R 2 .

Это, конечно, не идеально при любых обстоятельствах, но обычно оно должно работать нормально с разумным компромиссом между потреблением энергии и уровнем шума. Олин Лантроп и Питер Смит подробно объяснили, какие недостатки вы получаете при слишком высоких или слишком низких значениях сопротивления.

leftaroundabout
источник
1
+1 - хотя я думаю, что этот ответ будет лучше в качестве комментария, IMO, вы заслуживаете повышения за четкое изложение того, что большинство из нас уже знает, но то, что редко говорят, - что большинство операционных усилителей обычно могут хорошо работать со значениями 10k-ish , Я бы даже пошел немного дальше, заявив, что обычный диапазон значений R для большинства распространенных приложений EE составляет 100-100 кОм, а операционные усилители - это устройства, которые лучше всего работают со значениями вблизи верхней границы. Я сам нашел несколько дешевых операционных усилителей, которые не хотели хорошо работать с разрешением 47к-100к, а снижение до диапазона 10к-33к заставило их работать идеально.