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

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»?)

(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.

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.

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

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.