Eligiendo los valores de resistencia para el amplificador no inversor y por qué?

Question

La ganancia aquí es A = -R _f /Rin. Sin embargo, digamos que quiero una ganancia de 10 V/V. ¿Qué valor de resistencia elegiría y por qué?

Sé que podrías tener un número infinito de combinaciones para estas resistencias, pero ¿por qué alguien usaría un valor específico, es decir, R _f \= 100Mohm, R _en \= 10Mohm da una ganancia de 10V/V pero también R _f \= 10 ohm y R _en \= 1 ohmio da la ganancia de 10V/V. ¿Qué diferencia habría en el diseño?

Mis pensamientos dicen que las resistencias de mayor valor no son precisas, por lo que no te daría una ganancia precisa y al usar resistencias de menor valor se hunde una mayor corriente de la fuente (V _en ). ¿Hay alguna otra razón? También, hágame saber si tengo razón o no.

Answer 1

La elección de resistencias muy grandes o muy pequeñas tiene sus inconvenientes. Normalmente se trata del comportamiento no ideal de los componentes (concretamente los Op-Amps), o de otros requisitos de diseño como la potencia y el calor.

Las resistencias pequeñas significan que se necesita una corriente mucho mayor para proporcionar las caídas de tensión adecuadas para que el Op-amp funcione. La mayoría de los amplificadores operacionales son capaces de proporcionar decenas de mA (consulte la hoja de datos del amplificador operacional para obtener detalles exactos). Incluso si el op-amp puede proporcionar muchos amperios, se generará mucho calor en las resistencias, lo que puede ser problemático.

Por otro lado, las resistencias grandes se enfrentan a dos problemas relacionados con el comportamiento no ideal de los terminales de entrada del Op-Amp. En concreto, se supone que un amplificador óptico ideal tiene una impedancia de entrada infinita. A la física no le gustan los infinitos, y en realidad hay una corriente finita que fluye hacia los terminales de entrada. Puede ser algo grande (unos microamplificadores), o pequeña (unos picoamplificadores), pero no es 0. Esto se llama los Op-amps corriente de polarización de entrada .

El problema se agrava porque hay dos terminales de entrada, y no hay nada que les obligue a tener exactamente la misma corriente de polarización de entrada. La diferencia se conoce como corriente de desplazamiento de entrada y ésta suele ser bastante pequeña en comparación con la corriente de polarización de entrada. Sin embargo, se convertirá en un problema con una resistencia muy grande de una manera más molesta que las corrientes de polarización de entrada (se explica a continuación).

Aquí hay un circuito rediseñado para incluir estos dos efectos. El op-amp aquí se supone que es "ideal" (hay otros comportamientos no ideales que estoy ignorando aquí), y estos comportamientos no ideales han sido modelados con fuentes ideales.

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Observa que hay una resistencia adicional R2. En tu caso, R2 es muy pequeño (se acerca a cero), por lo que una pequeña resistencia por una pequeña corriente de polarización I2 es un voltaje muy pequeño a través de R2.

Sin embargo, observe que si R1 y R3 son muy grandes, la corriente que fluye en la entrada inversora es muy pequeña, del mismo orden que (o peor, más pequeña que) I1. Esto desvirtuará la ganancia que proporcionará tu circuito (dejaré la derivación matemática como ejercicio para el lector :D)

Pero no todo está perdido porque haya una gran corriente de polarización. Mira lo que pasa si haces que R2 sea igual a R1||R3 (combinación en paralelo): si I1 e I2 están muy cerca el uno del otro (baja corriente de offset de entrada), ¡puedes anular el efecto de la corriente de bias de entrada! Sin embargo, esto no resuelve el problema de la corriente de offset de entrada, y hay aún más problemas con la forma de manejar la deriva.

No hay realmente una buena manera de contrarrestar la corriente de compensación de entrada. Podrías medir partes individuales, pero las partes se desvían con el tiempo. Probablemente sea mejor usar una pieza mejor para empezar, y/o resistencias más pequeñas.

En resumen: elige valores en el rango medio. Lo que esto significa es algo vago, tendrás que empezar a elegir piezas, mirar las hojas de datos y decidir qué es "suficientemente bueno" para ti. Los 10 kohms pueden ser un buen punto de partida, pero esto no es en absoluto universal. Y probablemente no habrá un valor ideal para elegir normalmente. Lo más probable es que haya una gama de valores que proporcionen resultados aceptables. Entonces tendrá que decidir qué valores utilizar en función de otros parámetros (por ejemplo, si ya está utilizando otro valor, podría ser una buena opción para poder hacer un pedido al por mayor y que sea más barato).

Answer 2

En tu circuito específico de amplificador operacional, la tensión en la unión de Rf y Rin es la misma que la tensión en la entrada no inversora. Esto tiene que ser así - se llama una tierra virtual. Dado este hecho, esto significa que su señal (Vin) ve una impedancia de entrada de exactamente Rin. También significa que su salida (sin conectarse a nada más) tiene que conducir una carga de salida que es Rf.

Estos dos hechos suelen dictar que Rf y Rin no sean muy pequeños, es decir, que sean de 50 ohmios o más.

El op-amp tiene otras cosas que hacen que tengas que evitar los valores de las resistencias de gama alta. Estos son: -

• Capacitancia parásita de la salida a la entrada inversora (en efecto en paralelo con Rf). Si Rf es demasiado grande, la respuesta en frecuencia del circuito está limitada en el extremo superior del espectro.
• La capacitancia de entrada puede causar algunas inestabilidades si Rin es demasiado grande
• Ruido de las resistencias con la temperatura: este es un fenómeno bien conocido y significa que, para los requisitos de los circuitos de bajo ruido, Rf y Rin no deben ser demasiado grandes.
• Las corrientes de fuga que entran y salen de las entradas provocan errores de CC si las resistencias son demasiado grandes.

Creo que es suficiente por ahora.

Answer 3

En primer lugar, tu diagrama es un amplificador inversor, no uno no inversor como en el encabezamiento de tu pregunta.

Hay algunas resistencias comunes que hacen buenas relaciones para la ganancia y mejor aún, resistencias comunes de precisión con bajo coeficiente de temperatura y buenas relaciones de resistencia. Me gusta utilizar las piezas de precisión si es posible. (Lo mismo ocurre con los tapones en los op-amps como para los integradores - precisión de poliestireno y temperatura estable). Como 10K/1K o 33K/3.3K. Más allá de 100K/10K la resistencia se vuelve lo suficientemente alta como para que la pequeña capacitancia en el circuito comience a convertir su circuito en un integrador o diferenciador (o filtro de paso bajo).

Los valores muy bajos de Rin cargan la entrada y los valores altos de Rf aumentan la impedancia de salida. Estos problemas son fáciles de superar. La mayoría de los paquetes de op-amp tienen más de un OA. Utilice uno como seguidor de tensión y como entrada a su OA que tiene ganancia. Su circuito total presenta una impedancia de entrada muy alta y su OA con ganancia ve una impedancia muy baja en su entrada y puede utilizar valores bajos o Rin. También puedes usar un seguidor de OA en la salida para tener una corriente de accionamiento alta y una salida de baja impedancia. Incluso puedes configurar fácilmente la salida para que coincida con la impedancia del siguiente circuito o un cable coaxial, etc. Me gusta usar resistencias de alta precisión de baja tempco o potes de baja tempco (o potes digitales) para Rf y trim para la ganancia.

He usado 1M/1K para una ganancia de 1000 (2 seguidos dan 1 millón) con paso bajo para sismología, pero esto es un ancho de banda de pocos Hz y funciona incluso con el humilde uA741. El LM308 requiere mucho menos recorte. Los buenos OA modernos son geniales en comparación. Si entras en el área de 10M a 100M para Rf, tu ancho de banda caerá y el ruido subirá.

Answer 4

• Una de las diferencias importantes es la impedancia de entrada que ve V(IN), que es igual a R(IN).
• Otra diferencia importante es que con las resistencias de alta impedancia, es más fácil captar el ruido y la corriente de polarización de entrada del OPAMP tendrá un mayor efecto en la compensación de la tensión de salida.
• Recuerda también que la salida debe ser capaz de conducir la resistencia R(F).

Answer 5

La afirmación de que "las resistencias de mayor valor no son precisas, por lo que no se obtendría una ganancia precisa" no suele ser del todo cierta en sí mismo (pero es cierto por poder por otras razones, como discutiré más adelante).

Normalmente, en un circuito bien diseñado, la ganancia dependerá de ratios de resistencias, y no en los valores individuales. Un resistor con una resistencia nominal R y una tolerancia x puede tomar valores entre: $$ R_\text{nominal}(1 - x) \leq R_{\text{actual}} \leq R_\text{nominal}(1 + x) $$ Ahora bien, si tenemos dos resistencias que aparecen como una relación entre sí, los valores mínimo y máximo de esta relación vienen dados por: $$ \frac{R_{1,\text{nominal}}(1-x)}{R_{2,\text{nominal}}(1+x)} \leq \left(\frac{R_1}{R_2}\right)_\text{actual} \leq \frac{R_{1,\text{nominal}}(1+x)}{R_{2,\text{nominal}}(1-x)} $$

Obsérvese, en primer lugar, que la tolerancia de la relación es más alto que la tolerancia de las resistencias individuales. Esto es bueno tenerlo en cuenta si quieres una ganancia precisa. Sin embargo, la tolerancia de la ganancia no no aumentan con los valores de resistencia nominal, siempre que la relación sea constante.

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Sin embargo, las resistencias muy grandes reducen la precisión por otros motivos. Dos que ya se han mencionado en otras respuestas son (i) el efecto de las corrientes de polarización y de compensación; (ii) el ruido de Johnson.

Otra razón que no se ha mencionado es que las resistencias muy grandes empiezan a ser comparables a la resistencia del entorno (por ejemplo, la PCB), especialmente en presencia de humedad y/o salinidad. Esto hace los hacen imprecisos, porque ahora son vistos por el circuito en paralelo con lo que los rodea.

La conclusión es que hay que evitar las resistencias superiores a 1MOhm si es posible, y realmente Intenta evitar cualquier cosa que supere los 10MOhm. En el otro extremo del espectro, alrededor de 1k suele ser el límite inferior.