Wählen Sie die besseren Werte (in Bezug auf den Bereich) für Widerstände in dieser nicht invertierenden Operationsverstärkerschaltung

In diesen Tagen beschäftige ich mich mit Operationsverstärkern; Nach allem, was ich gesehen habe, ist die Implementierung in einer Schaltung recht einfach, zumindest wenn sie als "nicht invertierend" verbunden sind. Die Bestimmung der Verstärkung / Verstärkung ist möglich, indem zwei Widerstände, R1 und R2, berechnet werden (sollte R2 als "Rückkopplungswiderstand" bezeichnet werden?)

(Das Bild stammt von http://mustcalculate.com/electronics/noninvertingopamp.php .)

Lassen Sie mich anhand eines praktischen Beispiels erklären, wo meine Fragen sind:

In meinem Beispiel habe ich einen Operationsverstärker (zum Beispiel den TLV272 , der auch "Rail to Rail" ist) als "nicht invertierenden Verstärker" implementiert. Dann möchte ich eine Spannung von 10 Volt auf 15 Volt erhöhen (um sicher zu sein, werde ich den Operationsverstärker mit einer Stromversorgung von 15 Volt versorgen). Nun: Nach der Gleichung muss ich einen Wert von 20 kΩ für R1 und einen Wert von 10 kΩ für R2 wählen, was einer Verstärkung von 3,522 dB (Spannungsverstärkung 1,5) entspricht.

OK, aber ich könnte das auch tun, indem ich R1 als 200 kΩ und R2 als 100 kΩ wähle oder diese Werte bis R1 von 200 MΩ und R2 von 100 MΩ (oder genau umgekehrt: R1 von 2 Milliohm und R2 von 1) erhöhe Milliohm): In all diesen Fällen werde ich immer noch eine Verstärkung von 1,5 haben, aber mit völlig unterschiedlichen Widerstandsbereichen in Bezug auf die Werte.

Ich kann die Kriterien (in Bezug auf die Reichweite) nicht verstehen, wie diese Widerstände ausgewählt werden sollten. Vielleicht hängt dieses Kriterium mit der Art des Signals zusammen, das der Operationsverstärker an seinem Eingang manipulieren muss? Oder was noch? Und im praktischen Beispiel, was ist der Unterschied, wenn ich ein Signal mit "R1 = 2 kΩ R2 = 1 kΩ" und "R1 = 200 MΩ R2 = 100 MΩ" erhöhe?

EDIT: Ich habe gesehen, dass meine Frage bearbeitet wurde, auch um meine Grammatik zu korrigieren: Danke. Es tut mir leid für meine Rechtschreibfehler, aber Englisch ist nicht meine Hauptsprache. Das nächste Mal werde ich versuchen, meine Grammatik genauer zu gestalten.

Wie Sie herausgefunden haben, ist die Verstärkung nur eine Funktion des Verhältnisses der beiden Widerstände. Daher sind auf den ersten Blick 2 kΩ / 1 kΩ und 2 MΩ / 1 MΩ äquivalent. Sie sind im Idealfall in Bezug auf den Gewinn, aber es gibt andere Überlegungen.

Die größte offensichtliche Überlegung ist der Strom, den die beiden Widerstände vom Ausgang beziehen. Bei 15 V Ausgang stellt die 2kΩ / 1kΩ-Kombination eine Last von 3 kΩ dar und zieht (15 V) / (3 kΩ) = 5 mA. Die 2MΩ / 1MΩ-Kombination zieht ebenfalls nur 5 µA.

Was macht das aus? Zunächst müssen Sie prüfen, ob der Operationsverstärker zusätzlich zu der von ihm gewünschten Last sogar 5 mA liefern kann. Vielleicht sind 5 mA kein Problem, aber offensichtlich gibt es irgendwo eine Grenze. Kann es 50 mA liefern? Vielleicht, aber wahrscheinlich nicht. Sie können R1 und R2 nicht einfach weiter senken, auch wenn das Verhältnis gleich bleibt, und die Schaltung funktioniert weiter.

Selbst wenn der Operationsverstärker den Strom für den von Ihnen ausgewählten R1 + R2-Wert liefern kann, müssen Sie überlegen, ob Sie diesen Strom ausgeben möchten. Dies kann bei einem batteriebetriebenen Gerät ein echtes Problem sein. Ein kontinuierlicher 5-mA-Stromverbrauch kann viel mehr sein, als der Rest des Stromkreises benötigt, und der Hauptgrund für die kurze Batterielebensdauer.

Bei hohen Widerständen gibt es auch andere Grenzen. Hochohmige Knoten sind im Allgemeinen anfälliger für das Aufnehmen von Rauschen, und hochohmige Widerstände weisen ein stärker inhärentes Rauschen auf.

Kein Operationsverstärker ist perfekt und seine Eingangsimpedanz nicht Null. Die Teiler R1 und R2 bilden eine Spannungsquelle der Impedanz R1 // R2, die den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers ansteuert. Bei 2 MΩ / 1 MΩ beträgt diese Parallelkombination 667 kΩ. Dies muss im Vergleich zur Eingangsimpedanz des Operationsverstärkers klein sein, da sonst ein erheblicher Offsetfehler auftritt. Der Opamp-Eingangsvorspannungsstrom muss ebenfalls berücksichtigt werden. Wenn beispielsweise der Eingangsvorspannungsstrom 1 uA beträgt, beträgt die Offset-Spannung, die durch die den Eingang ansteuernde 667-kΩ-Quelle verursacht wird, 667 mV. Das ist ein großer Fehler, der wahrscheinlich nicht akzeptabel ist.

Ein weiteres Problem bei hoher Impedanz ist die geringe Bandbreite. Es wird immer eine parasitäre Kapazität geben. Nehmen wir zum Beispiel an, dass das an die beiden Widerstände und den invertierenden Eingang angeschlossene Netz eine Kapazität von 10 pF gegen Masse hat. Mit 667 kΩ haben Sie einen Tiefpassfilter bei nur 24 kHz. Dies mag für eine Audioanwendung akzeptabel sein, ist jedoch in vielen anderen Anwendungen ein ernstes Problem. Bei hohen Frequenzen erhalten Sie möglicherweise viel weniger Verstärkung als Sie vom Verstärkungsbandbreitenprodukt des Operationsverstärkers und der Rückkopplungsverstärkung erwarten.

Wie bei allem in der Technik ist es ein Kompromiss. Sie haben zwei Freiheitsgrade bei der Auswahl der beiden Widerstände. Der gewünschte Gewinn ist nur um ein Grad gesunken. Sie müssen die aktuellen Anforderungen und die Ausgangsimpedanz abwägen, um die zweite zu bestimmen.

Wie oben erwähnt, haben Rückkopplungswiderstände mit niedrigem Wert einen relativ hohen Strom, den der Verstärker ansteuern muss. In einem invertierenden Verstärker stellt Rin die Eingangsimpedanz ein, daher ist es am besten, keinen zu niedrigen Wert zu haben, da die Signalquelle diesen ansteuern muss.

Am anderen Ende der Skala erzeugen sehr große Widerstände nicht nur Rauschen (thermisches oder Johnson-Rauschen), sondern bilden aufgrund der natürlichen Kapazität * des Teils einen Filter in der Rückkopplungsschleife, der im schlimmsten Fall die Schleifenstabilität untergraben kann des Verstärkers. Abgesehen davon, dass sich die Wechselstromantwort Ihres Schaltkreises auf interessante und haarsträubende Weise ändert, verschlechtert sich dieser Effekt bei niedrigeren Verstärkungen, und bei Verstärkungen unter 4 (normalerweise abhängig vom jeweiligen Verstärker) kann es ziemlich schmerzhaft werden. In der Tat gibt es zahlreiche Verstärker, die speziell für eine minimale Verstärkung entwickelt wurden und unterhalb dieser Verstärkung instabil sind (zu den Vorteilen gehören bessere Übergangsspezifikationen).

In der Regel beschränke ich die Rückkopplungswiderstände für invertierende oder nichtinvertierende Konfigurationen auf nicht mehr als ~ 220k. Wenn dies nicht zu einer ausreichenden Verstärkung führt, verwenden Sie eine zusätzliche Verstärkungsstufe.

Es gibt Tricks, die man machen kann (ein T-Netzwerk von Widerständen in der Rückkopplungsschleife ist bekannt), um die Verstärkung einer einzelnen Stufe zu erhöhen, aber Verstärker sind billig und nehmen vernachlässigbaren Platz ein.

Bei invertierenden Topologien wird die Wahl des Rückkopplungswiderstands hauptsächlich von den Anforderungen der Signalquelle bestimmt, die die Größe des Eingangswiderstands (normalerweise minimal) festlegt.

• Dies wird deutlich, wenn man die Kapazität als zwischen zwei Punkten mit unterschiedlichem elektrischen Potential vorhanden definiert

HTH

Um eine wirklich kurze Antwort zu geben: Etwas im Bereich von zehn kΩ s wird wahrscheinlich gut sein (bei den meisten OP-Verstärkermodellen und für die meisten Anwendungen). Versuchen Sie 40 kΩ für R ₁ und 20 kΩ für R ₂ .

Dies ist natürlich nicht unter allen Umständen ideal, sollte aber normalerweise mit einem angemessenen Kompromiss zwischen Stromverbrauch und Geräuschpegel gut funktionieren. Olin Lanthrop und Peter Smith haben ausführlich erklärt, welche Nachteile Sie mit zu hohen oder zu niedrigen Widerstandswerten haben.