Chọn các giá trị tốt hơn (về phạm vi) cho các điện trở trong mạch op-amp không đảo ngược này

Những ngày này tôi đang xem xét các bộ khuếch đại hoạt động; từ những gì tôi đã thấy, việc thực hiện chúng trong một mạch khá đơn giản, ít nhất là khi chúng được kết nối là "không đảo ngược". Có thể xác định mức tăng / khuếch đại bằng cách tính hai điện trở, R1 và R2 (nên gọi R2 là "điện trở phản hồi"?)

(Hình ảnh được lấy từ http://mustcalculate.com/electronics/noninvertingopamp.php .)

Hãy để tôi làm một ví dụ thực tế để giải thích câu hỏi của tôi ở đâu:

Trong ví dụ của tôi, tôi chọn triển khai op-amp (ví dụ: TLV272 , cũng là "rail to rail") là "bộ khuếch đại không đảo". Sau đó, tôi muốn tăng điện áp từ 10 volt lên 15 volt (để chắc chắn, tôi sẽ cung cấp cho op-amp với nguồn điện 15 volt). Vâng: theo phương trình, tôi phải chọn giá trị 20 kΩ cho R1 và giá trị 10 kΩ cho R2, tương đương với mức khuếch đại 3,522 dB (mức tăng điện áp 1,5).

OK, nhưng tôi cũng có thể làm tương tự bằng cách chọn R1 là 200 kΩ và R2 là 100 kΩ, hoặc tăng các giá trị này cho đến khi R1 là 200 MΩ và R2 là 100 MΩ (hoặc ngược lại hoàn toàn: R1 là 2 milliohm và R2 là 1 milliohm): trong tất cả các trường hợp này, tôi vẫn sẽ có mức tăng 1,5, nhưng với các phạm vi điện trở hoàn toàn khác nhau, về giá trị.

Tôi không thể hiểu các tiêu chí (về phạm vi) làm thế nào các điện trở này nên được chọn. Có lẽ tiêu chí này liên quan đến loại tín hiệu mà op-amp sẽ phải thao tác trên đầu vào của anh ấy? Hay cái gì khác? Và trong ví dụ thực tế, đó sẽ là sự khác biệt nếu tôi tăng tín hiệu bằng cách sử dụng "R1 = 2 kΩ R2 = 1 kΩ" và "R1 = 200 MΩ R2 = 100 MΩ"?

EDIT: Tôi đã thấy rằng câu hỏi của tôi đã được chỉnh sửa, cũng để sửa lỗi ngữ pháp của tôi: cảm ơn bạn. Tôi xin lỗi vì lỗi chính tả của tôi, nhưng tiếng Anh không phải là ngôn ngữ chính của tôi. Lần tới, tôi sẽ cố gắng chính xác hơn về ngữ pháp của mình.

Như bạn đã tìm ra, mức tăng chỉ là một hàm của tỷ số của hai điện trở. Do đó, thoạt nhìn, 2 kΩ / 1 kΩ và 2 MΩ / 1 MΩ là tương đương. Họ, lý tưởng nhất là về lợi ích, nhưng có những cân nhắc khác.

Sự xem xét rõ ràng lớn nhất là dòng điện mà hai điện trở rút ra từ đầu ra. Ở 15 V ra, tổ hợp 2kΩ / 1kΩ thể hiện tải 3 kΩ và sẽ rút ra (15 V) / (3 kΩ) = 5 mA. Kết hợp 2MΩ / 1MΩ cũng sẽ chỉ rút ra 5 trận.

Điều này có vấn đề gì? Đầu tiên, bạn phải xem xét liệu opamp thậm chí có thể cung cấp nguồn 5 mA ngoài bất kỳ tải nào bạn muốn nó lái hay không. Có lẽ 5 mA không có vấn đề gì, nhưng rõ ràng có một giới hạn ở đâu đó. Nó có thể nguồn 50 mA? Có thể, nhưng có lẽ là không. Bạn không thể cứ làm cho R1 và R2 thấp hơn, thậm chí giữ nguyên tỷ lệ của chúng như cũ và để mạch tiếp tục hoạt động.

Ngay cả khi opamp có thể cung cấp dòng điện cho giá trị R1 + R2 mà bạn đã chọn, bạn phải xem xét liệu bạn có muốn sử dụng dòng điện đó hay không. Đây có thể là một vấn đề thực sự trong một thiết bị hoạt động bằng pin. Cống liên tục 5 mA có thể nhiều hơn rất nhiều so với phần còn lại của mạch, và lý do chính cho tuổi thọ pin ngắn.

Có những giới hạn khác ở điện trở cao. Các nút trở kháng cao nói chung dễ bị nhiễu hơn và điện trở có giá trị cao có tiếng ồn cố hữu hơn.

Không có opamp là hoàn hảo, và trở kháng đầu vào của nó không bằng không. Bộ chia R1 và R2 tạo thành một nguồn điện áp của trở kháng R1 // R2 điều khiển đầu vào đảo ngược của opamp. Với 2MΩ / 1MΩ, tổ hợp song song này là 667 kΩ. Điều đó cần phải nhỏ so với trở kháng đầu vào của opamp nếu không sẽ có lỗi bù đáng kể. Dòng điện thiên vị đầu vào opamp cũng phải được tính đến. Ví dụ: nếu dòng điện phân cực đầu vào là 1 PhaA, thì điện áp bù gây ra bởi nguồn 667 kΩ điều khiển đầu vào là 667 mV. Đó là một lỗi lớn khó có thể chấp nhận được.

Một vấn đề khác với trở kháng cao là băng thông thấp. Sẽ luôn có một số điện dung ký sinh. Ví dụ, giả sử rằng mạng được kết nối với hai điện trở và đầu vào đảo ngược có điện dung 10 pF chạm đất. Với 667 kΩ lái nó, bạn có bộ lọc thông thấp ở mức chỉ 24 kHz. Điều đó có thể được chấp nhận cho một ứng dụng âm thanh, nhưng một vấn đề nghiêm trọng trong nhiều ứng dụng khác. Bạn có thể nhận được ít hơn rất nhiều ở tần số cao hơn bạn mong đợi từ sản phẩm băng thông khuếch đại của opamp và mức tăng phản hồi.

Như với mọi thứ trong kỹ thuật, đó là một sự đánh đổi. Bạn có hai bậc tự do trong việc lựa chọn hai điện trở. Việc bạn đạt được chỉ muốn móng tay xuống một độ. Bạn phải đánh đổi các yêu cầu hiện tại và trở kháng đầu ra để quyết định thứ hai.

Như đã đề cập ở trên, điện trở phản hồi giá trị thấp có dòng điện tương đối cao mà bộ khuếch đại phải lái. Trong bộ khuếch đại đảo ngược, Rin đặt trở kháng đầu vào, vì vậy tốt nhất không nên có giá trị quá thấp vì nguồn tín hiệu phải điều khiển điều này.

Ở đầu kia của thang đo, các điện trở rất lớn không chỉ tạo ra nhiễu (nhiễu nhiệt hoặc nhiễu Johnson), mà do điện dung tự nhiên * của bộ phận, chúng tạo thành một bộ lọc trong vòng phản hồi, tệ nhất có thể làm suy yếu sự ổn định của vòng lặp của bộ khuếch đại. Ngoài việc thay đổi phản ứng ac của mạch theo cách thú vị và kéo tóc, hiệu ứng này trở nên tồi tệ hơn ở mức tăng thấp hơn và ở mức tăng dưới 4 (thông thường, phụ thuộc vào bộ khuếch đại cụ thể) có thể cắn khá đau. Thật vậy, có rất nhiều bộ khuếch đại được thiết kế đặc biệt để có mức tăng tối thiểu và không ổn định dưới mức tăng này (ưu điểm bao gồm thông số kỹ thuật thoáng qua tốt hơn).

Theo nguyên tắc chung, tôi giới hạn điện trở phản hồi không quá ~ 220k cho các cấu hình đảo ngược hoặc không đảo. Nếu điều này không mang lại đủ mức tăng, hãy sử dụng giai đoạn tăng thêm.

Có một số mẹo người ta có thể làm (một mạng điện trở T trong vòng phản hồi là một cách nổi tiếng) để tăng mức tăng của một giai đoạn duy nhất, nhưng bộ khuếch đại thì rẻ và chiếm không gian không đáng kể.

Trong cấu trúc liên kết đảo ngược, sự lựa chọn điện trở hồi tiếp chủ yếu được điều khiển bởi các yêu cầu của nguồn tín hiệu đặt kích thước điện trở đầu vào (thường là tối thiểu).

• Điều này trở nên rõ ràng khi người ta định nghĩa điện dung là tồn tại giữa hai điểm có tiềm năng điện khác nhau

HTH

Để đưa ra một câu trả lời thực sự ngắn: một cái gì đó trong phạm vi hàng chục k có lẽ sẽ tốt (với hầu hết các mẫu OP-amp và cho hầu hết các ứng dụng). Hãy thử 40 kΩ cho R ₁ và 20 kΩ cho R ₂ .

Điều này tất nhiên không lý tưởng trong mọi trường hợp, nhưng nó thường sẽ hoạt động tốt với sự đánh đổi hợp lý giữa mức tiêu thụ điện năng và mức độ tiếng ồn. Olin Lanthrop và Peter Smith đã giải thích chi tiết về những bất lợi mà bạn gặp phải với các giá trị kháng quá cao hoặc quá thấp.