Chọn giá trị điện trở cho bộ khuếch đại đảo ngược và tại sao?

Độ lợi ở đây là A = -R _f / Rin. Tuy nhiên, giả sử tôi muốn tăng 10 V / V. Giá trị điện trở nào bạn sẽ chọn và tại sao?

Tôi biết rằng bạn có thể có vô số kết hợp cho các điện trở này nhưng tại sao một số lại sử dụng giá trị cụ thể. tức là R _f = 100Mohm, R _in = 10Mohm cho mức tăng 10V / V nhưng cũng R _f = 10 ohm và R _in = 1 ohm cho mức tăng 10V / V. Nó có gì khác biệt với thiết kế?

Tôi nghĩ rằng điện trở có giá trị cao hơn là không chính xác nên nó sẽ không mang lại cho bạn mức tăng chính xác và sử dụng điện trở có giá trị thấp hơn sẽ lấy dòng điện cao hơn từ nguồn (V _in ). Có bất kỳ lý do khác? Ngoài ra, hãy cho tôi biết nếu tôi đúng hay sai.

Có những nhược điểm với việc chọn điện trở rất lớn và điện trở rất nhỏ. Chúng thường xử lý hành vi không lý tưởng của các thành phần (cụ thể là Op-Amps) hoặc các yêu cầu thiết kế khác như năng lượng và nhiệt.

Điện trở nhỏ có nghĩa là bạn cần một dòng điện cao hơn nhiều để cung cấp mức giảm điện áp phù hợp để Op-amp hoạt động. Hầu hết các ampe kế có thể cung cấp 10 mA (xem bảng dữ liệu Op-amp để biết chi tiết chính xác). Ngay cả khi op-amp có thể cung cấp nhiều ampe, sẽ có rất nhiều nhiệt được tạo ra trong các điện trở, điều này có thể có vấn đề.

Mặt khác, các điện trở lớn gặp phải hai vấn đề liên quan đến hành vi không lý tưởng của các đầu vào đầu vào Op-Amp. Cụ thể, giả định được đưa ra là một op-amp lý tưởng có trở kháng đầu vào vô hạn. Vật lý không giống như vô cực, và trong thực tế, có một số dòng hữu hạn chảy vào các đầu vào đầu vào. Nó có thể là loại lớn (vài micro amps) hoặc nhỏ (vài picoamp), nhưng không phải là 0. Đây được gọi là dòng điện thiên vị đầu vào Op-amps .

Vấn đề được giải quyết do có hai thiết bị đầu cuối đầu vào và không có gì buộc chúng phải có cùng dòng điện thiên vị đầu vào. Sự khác biệt được gọi là dòng bù đầu vào và điều này thường khá nhỏ so với dòng điện phân cực đầu vào. Tuy nhiên, nó sẽ trở nên có vấn đề với điện trở rất lớn theo cách khó chịu hơn so với dòng điện thiên vị đầu vào (giải thích bên dưới).

Đây là một mạch được vẽ lại để bao gồm hai hiệu ứng này. Op-amp ở đây được coi là "lý tưởng" (có những hành vi phi lý tưởng khác mà tôi bỏ qua ở đây), và những hành vi không lý tưởng này đã được mô hình hóa bằng các nguồn lý tưởng.

^{mô phỏng mạch này - Sơ đồ được tạo bằng CircuitLab}

Lưu ý rằng có một điện trở R2 bổ sung. Trong trường hợp của bạn, R2 rất nhỏ (gần bằng 0), do đó điện trở nhỏ nhân với dòng điện thiên vị nhỏ I2 là điện áp rất nhỏ trên R2.

Tuy nhiên, lưu ý rằng nếu R1 và R3 rất lớn, dòng điện chạy vào đầu vào đảo ngược rất nhỏ, theo cùng thứ tự với (hoặc tệ hơn, nhỏ hơn) I1. Điều này sẽ loại bỏ lợi ích mà mạch của bạn sẽ cung cấp (Tôi sẽ để lại đạo hàm toán học như một bài tập cho người đọc: D)

Tất cả không bị mất chỉ vì có một dòng điện thiên vị lớn! Hãy xem điều gì sẽ xảy ra nếu bạn tạo R2 bằng với R1 | Tuy nhiên, điều này không giải quyết được vấn đề với dòng bù đầu vào, và thậm chí còn có nhiều vấn đề hơn với cách xử lý trôi.

Không thực sự là một cách tốt để chống lại dòng điện bù đầu vào. Bạn có thể đo từng phần, nhưng các phần trôi theo thời gian. Có lẽ bạn nên sử dụng một phần tốt hơn để bắt đầu và / hoặc các điện trở nhỏ hơn.

Tóm lại: chọn các giá trị trong phạm vi giữa. Điều này có nghĩa là hơi mơ hồ, bạn sẽ thực sự cần phải bắt đầu chọn các bộ phận, xem dữ liệu và quyết định "đủ tốt" cho bạn là gì. 10 kohms có thể là một khởi đầu tốt, nhưng điều này không có nghĩa là phổ quát. Và có lẽ sẽ không có 1 giá trị lý tưởng để chọn thường. Nhiều khả năng sẽ có một loạt các giá trị sẽ cung cấp kết quả chấp nhận được. Sau đó, bạn sẽ phải quyết định sử dụng giá trị nào dựa trên các tham số khác (ví dụ: nếu bạn đang sử dụng một giá trị khác, đó có thể là một lựa chọn tốt để bạn có thể đặt hàng với số lượng lớn và rẻ hơn).

Trong mạch op-amp cụ thể của bạn, điện áp trên đường giao nhau của Rf và Rin giống như điện áp trên đầu vào không đảo. Điều này phải là như vậy - nó được gọi là trái đất ảo. Vì thực tế đó, điều này có nghĩa là tín hiệu của bạn (Vin) nhìn thấy trở kháng đầu vào của Rin chính xác. Điều đó cũng có nghĩa là đầu ra của bạn (không kết nối với bất kỳ thứ gì khác) phải điều khiển tải đầu ra là Rf.

Hai sự thật này thường cho rằng Rf và Rin không nhỏ lắm, tức là từ 50 ohms trở lên.

Op-amp có những thứ khác về nó có nghĩa là bạn cần tránh các giá trị điện trở cao cấp. Đó là: -

• Điện dung ký sinh từ đầu ra đến đầu vào đảo ngược (có hiệu lực song song với Rf). Nếu Rf quá lớn, đáp ứng tần số của mạch bị giới hạn ở mức cao của phổ.
• Điện dung đầu vào có thể gây ra một số bất ổn nếu Rin quá lớn
• Tiếng ồn điện trở với nhiệt độ - đây là một hiện tượng và phương tiện nổi tiếng, đối với các yêu cầu mạch nhiễu thấp, Rf và Rin không được quá lớn.
• Dòng điện rò rỉ vào và ra khỏi đầu vào gây ra lỗi DC nếu điện trở quá lớn.

Tôi nghĩ rằng bây giờ là đủ!

• Một trong những khác biệt quan trọng đó là trở kháng đầu vào mà V (IN) nhìn thấy, bằng với R (IN).
• Một sự khác biệt quan trọng khác là với các điện trở trở kháng cao, bạn dễ dàng thu được nhiễu hơn và dòng điện phân cực đầu vào của OPAMP sẽ có tác động lớn hơn đến việc bù điện áp đầu ra.
• Cũng cần nhớ rằng đầu ra phải có khả năng điều khiển điện trở R (F).

Đầu tiên, sơ đồ của bạn là một bộ khuếch đại đảo ngược, không phải là không đảo ngược như trong tiêu đề cho câu hỏi của bạn.

Có một số điện trở phổ biến tạo ra các tỷ số tốt để đạt được và tốt hơn nữa, các điện trở chính xác phổ biến với hệ số nhiệt độ thấp và tỷ lệ kháng tốt. Tôi thích sử dụng các bộ phận chính xác nếu có thể. (Điều tương tự cũng đúng đối với mũ trong op-amps như đối với các nhà tích hợp - độ chính xác polystyrene và nhiệt độ ổn định). Thích 10K / 1K hoặc 33K / 3,3K. Vượt quá 100K / 10K, Điện trở đủ cao để điện dung nhỏ trong mạch bắt đầu biến mạch của bạn thành bộ tích phân hoặc bộ phân biệt (hoặc bộ lọc thông thấp).

Giá trị Rin rất thấp tải đầu vào và giá trị Rf cao làm tăng trở kháng đầu ra. Những vấn đề này dễ dàng được khắc phục. Hầu hết các gói op-amp có nhiều hơn một viêm khớp. Sử dụng một như một người theo dõi điện áp và làm đầu vào cho viêm khớp của bạn có được. Tổng mạch của bạn thể hiện trở kháng đầu vào rất cao và OA của bạn với mức tăng nhìn thấy trở kháng rất thấp trên đầu vào của nó và bạn có thể sử dụng các giá trị thấp hoặc Rin. Bạn cũng có thể sử dụng một người theo dõi OA trên đầu ra để có dòng điện cao và đầu ra trở kháng thấp. Bạn thậm chí có thể dễ dàng định cấu hình đầu ra để phù hợp với trở kháng của mạch tiếp theo hoặc cáp đồng trục, v.v. Tôi thích sử dụng điện trở tempco có độ chính xác thấp hoặc nồi tempco thấp (hoặc nồi kỹ thuật số) cho Rf và cắt để đạt được.

Tôi đã sử dụng 1M / 1K để đạt 1000 (2 liên tiếp cho 1 triệu) với thông lượng thấp cho địa chấn, nhưng đây là băng thông vài Hz và hoạt động ngay cả với uA741 thấp. LM308 yêu cầu cắt ít hơn nhiều. OA hiện đại tốt là tuyệt vời bằng cách so sánh. Nếu bạn vào khu vực 10M đến 100M cho Rf, băng thông của bạn sẽ giảm và tiếng ồn sẽ tăng lên.

Những tuyên bố rằng "điện trở giá trị cao hơn là không chính xác vì vậy nó sẽ không cho bạn đạt được chính xác" thường là không hoàn toàn đúng trong bản thân (nhưng là đúng bởi proxy cho các lý do khác, như tôi sẽ thảo luận dưới đây).

$$R_\text{nominal}(1 - x) \leq R_{\text{actual}} \leq R_\text{nominal}(1 + x)$$ $$\frac{R_{1,\text{nominal}}(1-x)}{R_{2,\text{nominal}}(1+x)} \leq \left(\frac{R_1}{R_2}\right)_\text{actual} \leq \frac{R_{1,\text{nominal}}(1+x)}{R_{2,\text{nominal}}(1-x)}$$

Lưu ý, thứ nhất, dung sai của tỷ lệ này cao hơn dung sai trên các điện trở riêng lẻ. Điều này là tốt để ghi nhớ nếu bạn muốn đạt được chính xác. Tuy nhiên, dung sai khuếch đại không tăng theo các giá trị điện trở danh nghĩa, miễn là tỷ lệ này không đổi.

---

Tuy nhiên, điện trở rất lớn làm giảm độ chính xác vì lý do khác. Hai đã được đề cập trong các câu trả lời khác là (i) ảnh hưởng của dòng điện thiên vị và bù; (ii) Tiếng ồn Johnson.

Một lý do khác chưa được đề cập là các điện trở rất lớn bắt đầu trở nên tương đương với điện trở của môi trường (ví dụ PCB), đặc biệt là khi có độ ẩm và / hoặc độ mặn. Điều này không làm cho chúng không chính xác, bởi vì bây giờ chúng được nhìn thấy bởi mạch song song với bất cứ thứ gì xung quanh chúng.

Điểm mấu chốt là, cố gắng tránh các điện trở lớn hơn 1MOhm nếu có thể, và thực sự cố gắng tránh mọi thứ trên 10MOhm. Ở đầu kia của phổ, khoảng 1k thường là giới hạn dưới.