Elija los mejores valores (en términos de rango) para las resistencias en este circuito de op-amp no inversor

Question

Estos días estoy mirando los amplificadores operacionales; por lo que he visto, implementarlos en un circuito es bastante sencillo, al menos cuando se conectan como "no inversores". La determinación de la ganancia/amplificación es posible haciendo un cálculo de dos resistencias, R1 y R2 (¿debería llamarse R2 "resistencia de realimentación"?)

(La imagen está tomada de http://mustcalculate.com/electronics/noninvertingopamp.php .)

Permítanme hacer un ejemplo práctico para explicar dónde están mis preguntas:

En mi ejemplo elijo implementar un op-amp (por ejemplo, el TLV272 que también es "rail to rail") como "amplificador no inversor". Entonces quiero aumentar una tensión de 10 voltios a 15 voltios (para estar seguro, alimentaré el op-amp con una fuente de alimentación de 15 voltios). Bien: por la ecuación tengo que elegir un valor de 20 k para R1 y un valor de 10 k para R2, lo que equivale a una amplificación de 3,522 dB (ganancia de tensión 1,5).

Bien, pero también podría hacer lo mismo eligiendo R1 de 200 k y R2 de 100 k, o aumentar estos valores hasta R1 de 200 M y R2 de 100 M (o al contrario: R1 de 2 miliohm y R2 de 1 miliohm): en todos estos casos seguiré teniendo una ganancia de 1,5, pero con rangos de resistencias totalmente diferentes, en cuanto a valores.

No puedo entender el criterio (en términos de rango) de cómo deben elegirse estas resistencias. ¿Tal vez este criterio está relacionado con el tipo de señal que el op-amp tendrá que manipular en su entrada? ¿O qué más? Y en el ejemplo práctico, ¿cuál será la diferencia si aumento una señal utilizando "R1 = 2 k R2 = 1 k" y "R1 = 200 M R2 = 100 M"?

EDITAR: He visto que mi pregunta ha sido editada, también para corregir mi gramática: gracias. Lo siento por mis faltas de ortografía, pero el inglés no es mi idioma principal. La próxima vez, haré un intento de ser más preciso en mi gramática.

Answer 1

Como ya se han dado cuenta, la ganancia es sólo una función de la relación de las dos resistencias. Por lo tanto, a primera vista, 2 kΩ / 1 kΩ, y 2 MΩ / 1 MΩ son equivalentes. Lo son, idealmente, en términos de ganancia, pero hay otras consideraciones.

La mayor consideración obvia es la corriente que las dos resistencias extraen de la salida. A 15 V de salida, la combinación 2kΩ/1kΩ presenta una carga de 3 kΩ y consumirá (15 V)/(3 kΩ) = 5 mA. La combinación 2MΩ/1MΩ igualmente sólo consumirá 5 µA.

¿Qué importancia tiene esto? En primer lugar, tienes que considerar si el amplificador óptico puede suministrar 5 mA además de la carga que quieres que maneje. Puede que 5 mA no sean un problema, pero es evidente que hay un límite en alguna parte. ¿Puede suministrar 50 mA? Tal vez, pero probablemente no. No puedes seguir haciendo que R1 y R2 sean más bajos, incluso manteniendo su relación, y que el circuito siga funcionando.

Incluso si el amplificador puede suministrar la corriente para el valor de R1+R2 que has elegido, tienes que considerar si quieres gastar esa corriente. Esto puede ser un verdadero problema en un dispositivo que funciona con pilas. 5 mA de drenaje continuo puede ser mucho más de lo que el resto del circuito necesita, y la razón principal de la corta vida de la batería.

También hay otros límites en las resistencias altas. Los nodos de alta impedancia en general son más susceptibles de captar ruido, y las resistencias de alto valor tienen más ruido inherente.

Ningún amplificador óptico es perfecto, y su impedancia de entrada no es cero. El divisor R1 y R2 forman una fuente de tensión de impedancia R1//R2 que conduce la entrada inversora del opamp. Con 2MΩ/1MΩ, esta combinación en paralelo es de 667 kΩ. Esto tiene que ser pequeño en comparación con la impedancia de entrada del amplificador óptico, de lo contrario habrá un error de compensación significativo. También hay que tener en cuenta la corriente de polarización de entrada del amplificador. Por ejemplo, si la corriente de polarización de entrada es de 1 µA, entonces la tensión de offset causada por la fuente de 667 kΩ que conduce la entrada es de 667 mV. Ese es un error grande que probablemente no sea aceptable.

Otro problema de la alta impedancia es el bajo ancho de banda. Siempre habrá alguna capacitancia parásita. Digamos, por ejemplo, que la red conectada a las dos resistencias y a la entrada inversora tiene una capacitancia de 10 pF a tierra. Con 667 kΩ conduciéndola, tienes un filtro de paso bajo a sólo 24 kHz. Eso puede ser aceptable para una aplicación de audio, pero un problema serio en muchas otras aplicaciones. Usted podría estar obteniendo mucha menos ganancia a altas frecuencias de lo que espera del producto de ganancia-ancho de banda del amplificador óptico y la ganancia de retroalimentación.

Como todo en la ingeniería, es un compromiso. Tienes dos grados de libertad para elegir las dos resistencias. La ganancia que quieres sólo clava un grado. Tienes que negociar los requisitos de corriente y la impedancia de salida para decidir el segundo.

Answer 2

Como se mencionó anteriormente, las resistencias de retroalimentación de bajo valor tienen una corriente relativamente alta que el amplificador debe manejar. En un amplificador inversor, Rin establece la impedancia de entrada, por lo que es mejor no tener un valor demasiado bajo porque la fuente de señal debe conducir esto.

En el otro extremo de la escala, las resistencias muy grandes no sólo generan ruido (ruido térmico o de Johnson), sino que, debido a la capacitancia natural* de la pieza, forman un filtro en el bucle de realimentación, que en el peor de los casos puede socavar la estabilidad del bucle del amplificador. Aparte de cambiar la respuesta de CA de su circuito de forma interesante y tirando de los pelos, este efecto empeora a ganancias más bajas, y a ganancias por debajo de 4 (normalmente, depende del amplificador específico) puede morder bastante dolorosamente. De hecho, hay numerosos amplificadores diseñados específicamente para tener una ganancia mínima y son inestables por debajo de esta ganancia (las ventajas incluyen mejores especificaciones transitorias).

Como regla general, limito las resistencias de retroalimentación a no más de ~220k para configuraciones inversoras o no inversoras. Si esto no produce suficiente ganancia, utilice una etapa de ganancia adicional.

Hay trucos que se pueden hacer (una red T de resistencias en el bucle de retroalimentación es uno muy conocido) para aumentar la ganancia de una sola etapa, pero los amplificadores son baratos y ocupan un espacio insignificante.

En las topologías inversoras, la elección de la resistencia de realimentación viene dada principalmente por los requisitos de la fuente de la señal, que establece el tamaño de la resistencia de entrada (normalmente el mínimo).

• Esto queda claro cuando se define la capacitancia como la existente entre dos puntos cualesquiera de diferente potencial eléctrico

HTH

Answer 3

Para dar una respuesta realmente corta: algo en el rango de decenas de kΩ s será probablemente bueno (con la mayoría de los modelos de amplificadores OP y para la mayoría de las aplicaciones). Pruebe 40 kΩ para R ₁ y 20 kΩ para R ₂ .

Por supuesto, esto no es lo ideal en todas las circunstancias, pero normalmente debería funcionar bien con una compensación razonable entre el consumo de energía y el nivel de ruido. Olin Lanthrop y Peter Smith han explicado con detalle las desventajas que se obtienen con valores de resistencia demasiado altos o demasiado bajos.