Escolha os melhores valores (em termos de faixa) para resistores neste circuito op-amp não inversor

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Hoje em dia eu estou olhando para amplificadores operacionais; pelo que vi, implementá-las em um circuito é bastante simples, pelo menos quando elas são conectadas como "não inversoras". A determinação do ganho / amplificação é possível através do cálculo de dois resistores, R1 e R2 (R2 deve ser chamado de "resistor de realimentação"?)

Amplificador operacional não inversor

(A imagem é tirada em http://mustcalculate.com/electronics/noninvertingopamp.php .)

Deixe-me fazer um exemplo prático para explicar onde estão minhas perguntas:

No meu exemplo, optei por implementar um amplificador operacional (por exemplo, o TLV272 , que também é "trilho a trilho") como "amplificador não inversor". Então, quero aumentar uma voltagem de 10 volts para 15 volts (com certeza, alimentarei o amplificador operacional com uma fonte de alimentação de 15 volts). Bem: pela equação, tenho que escolher um valor de 20 kΩ para R1 e um valor de 10 kΩ para R2, que é igual a uma amplificação de 3,522 dB (ganho de tensão 1,5).

OK, mas eu também poderia fazer o mesmo escolhendo R1 como 200 kΩ e R2 como 100 kΩ, ou aumentar esses valores até R1 de 200 MΩ e R2 de 100 MΩ (ou exatamente o oposto: R1 de 2 miliohm e R2 de 1 miliohm): em todos esses casos, ainda terei um ganho de 1,5, mas com faixas de resistores totalmente diferentes, em termos de valores.

Não consigo entender os critérios (em termos de faixa) de como esses resistores devem ser escolhidos. Talvez esse critério esteja relacionado ao tipo de sinal que o amplificador operacional terá que manipular em sua entrada? Ou o que mais? E no exemplo prático, qual será a diferença se eu aumentar um sinal usando "R1 = 2 kΩ R2 = 1 kΩ" e "R1 = 200 MΩ R2 = 100 MΩ"?

EDIT: Vi que minha pergunta foi editada, também para corrigir minha gramática: obrigado. Sinto muito pelos meus erros de ortografia, mas o inglês não é o meu idioma principal. Da próxima vez, tentarei ser mais preciso na minha gramática.

Senhor D
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Eu sei que alguém vai escrever uma boa resposta detalhada e longa para isso, mas curta e agradável: seu opamp precisa fornecer / afundar a corrente através desses resistores, então valores baixos = alta corrente. Mas , os resistores causam ruído - e esse ruído é proporcional ao valor da resistência. Então, trade-off. Tenho certeza de que há outras considerações, mas essas são as primeiras que vêm à mente.
brhans
Não se preocupe: obrigado, de qualquer maneira, para sua resposta simples :)
Mister D
Além disso, com resistores de maior valor, o circuito pode ficar instável e oscilar. Você pode evitar isso adicionando um pequeno capacitor no R2. Na prática, os resistores estarão entre algumas centenas de ohms até 1 Mega ohm.
Bimpelrekkie
@Rimpelbekkie Não consigo entender, nessa aplicação, quando um valor deve ser considerado "maior". 100 ohm em comparação com 10 ohm? 10Kohm em comparação com 1Khom? E assim por diante.
Mister D
Por mais alto, quero dizer que a chance de ter oscilações aumenta conforme o valor dos resistores no vinco. O valor real do resistor acima do qual as oscilações podem ocorrer depende do opamp, portanto não há valor absoluto. Depende das propriedades do opamp que você encontra na folha de dados.
Bimpelrekkie

Respostas:

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Como você descobriu, o ganho é apenas uma função da proporção dos dois resistores. Portanto, à primeira vista, 2 kΩ / 1 kΩ e 2 MΩ / 1 MΩ são equivalentes. Eles são, idealmente, em termos de ganho, mas há outras considerações.

A maior consideração óbvia é a corrente que os dois resistores extraem da saída. Com saída de 15 V, a combinação 2kΩ / 1kΩ apresenta uma carga de 3 kΩ e consumirá (15 V) / (3 kΩ) = 5 mA. A combinação 2MΩ / 1MΩ também consumirá apenas 5 µA.

O que isso importa? Primeiro, você deve considerar se o opamp pode fornecer 5 mA além da carga que você deseja que ele conduza. Talvez 5 mA não seja um problema, mas obviamente há um limite em algum lugar. Ele consegue 50 mA? Talvez, mas provavelmente não. Você não pode simplesmente continuar diminuindo o R1 e o R2, mantendo a proporção igual e manter o circuito funcionando.

Mesmo que o opamp possa fornecer a corrente para o valor R1 + R2 que você escolheu, você deve considerar se deseja gastar essa corrente. Isso pode ser um problema real em um dispositivo operado por bateria. O dreno contínuo de 5 mA pode ser muito mais do que o restante do circuito precisa, e o principal motivo para a curta duração da bateria.

Existem outros limites também em altas resistências. Nós de alta impedância em geral são mais suscetíveis a captar ruídos e resistores de alto valor possuem ruídos mais inerentes.

Nenhum opamp é perfeito e sua impedância de entrada não é zero. O divisor R1 e R2 forma uma fonte de tensão de impedância R1 // R2, acionando a entrada inversora do opamp. Com 2MΩ / 1MΩ, essa combinação paralela é de 667 kΩ. Isso precisa ser pequeno em comparação com a impedância de entrada do opamp, caso contrário, haverá um erro de deslocamento significativo. A corrente de polarização da entrada do opamp também deve ser levada em consideração. Por exemplo, se a corrente de polarização da entrada é de 1 µA, a tensão de desvio causada pela fonte de 667 kΩ que aciona a entrada é de 667 mV. É um erro grande que provavelmente não será aceitável.

Outro problema com alta impedância é a baixa largura de banda. Sempre haverá alguma capacitância parasitária. Digamos, por exemplo, que a rede conectada aos dois resistores e à entrada inversora tenha capacitância de 10 pF ao terra. Com 667 kΩ dirigindo, você tem um filtro passa-baixo em apenas 24 kHz. Isso pode ser aceitável para um aplicativo de áudio, mas um problema sério em muitos outros aplicativos. Você pode obter muito menos ganho em altas frequências do que o esperado com o produto de ganho de largura de banda do opamp e o ganho de feedback.

Como tudo na engenharia, é uma troca. Você tem dois graus de liberdade na escolha dos dois resistores. O ganho que você deseja apenas diminui um grau. Você precisa trocar os requisitos atuais e a impedância de saída para decidir o segundo.

Olin Lathrop
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Uma resposta muito exaustiva e abrangente. Obrigado. Eu entendi o fato da corrente que os dois resistores consumirão. Vamos considerar o caso em que eu quero aumentar novamente essa corrente da saída do amplificador operacional para a entrada de um transistor (por exemplo, um transistor de 6 amp conectado como "emissor-seguidor"). Eu posso alimentar esse transistor com 5 mA ((15 V) / (3 kΩ)) ou seria melhor dirigir o transistor com mais corrente, então com valores mais baixos de resistores para o amplificador operacional?
Mister D
Você declarou: "O que isso importa? Primeiro, você deve considerar se o opamp pode fornecer 5 mA". Você pode me dar um exemplo "real" do amplificador operacional fornecido (TLV272)? Então: pode obter 5 mA? Quanta corrente (máxima) pode obter sem exceder suas características, sem danificá-la? Peço isso para que eu possa verificar com a folha de dados, porque não sou muito capaz de interpretar os vários valores para o amplificador operacional no objeto. Assim, com sua explicação, poderei entender melhor uma folha de dados. Obrigado.
Mister D
@ Mist: Infelizmente, a corrente de saída está mal especificada, embora o que existe seja bastante claro e óbvio. Veja a seção inferior da tabela na página 6, claramente identificada como "Corrente de saída". Com 10 V de potência, normalmente é possível obter 13 mA, o que não é realmente nenhuma especificação. Você precisa desdenhar pesadamente. Se isso importa, obtenha um opamp melhor especificado.
precisa saber é o seguinte
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Como mencionado acima, os resistores de feedback de baixo valor têm uma corrente relativamente alta que o amplificador deve acionar. Em um amplificador inversor, Rin define a impedância de entrada; portanto, é melhor não ter um valor muito baixo porque a fonte de sinal deve acionar isso.

No outro extremo da escala, resistores muito grandes não apenas geram ruído (ruído térmico ou Johnson), mas devido à capacitância natural * da peça, formam um filtro no circuito de realimentação, o que na pior das hipóteses pode prejudicar a estabilidade do circuito. do amplificador. Além de alterar a resposta de corrente alternada do seu circuito de maneiras interessantes e atraentes, esse efeito piora com ganhos mais baixos e ganhos abaixo de 4 (normalmente, depende do amplificador específico) podem ser dolorosos. De fato, existem inúmeros amplificadores projetados especificamente para obter um ganho mínimo e são instáveis ​​abaixo desse ganho (as vantagens incluem melhores especificações transitórias).

Como regra geral, limito os resistores de realimentação a não mais que ~ 220k para configurações inversoras ou não inversoras. Se isso não gerar ganho suficiente, use um estágio de ganho extra.

Existem truques que podemos fazer (uma rede T de resistores no loop de feedback é bem conhecida) para aumentar o ganho de um único estágio, mas os amplificadores são baratos e ocupam pouco espaço.

Na inversão de topologias, a escolha do resistor de realimentação é orientada principalmente pelos requisitos da fonte de sinal que define o tamanho do resistor de entrada (geralmente mínimo).

  • Isso fica claro quando se define capacitância como existente entre dois pontos de potencial elétrico diferente

HTH

Peter Smith
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Para dar uma resposta muito curta: algo no intervalo de dezenas de kΩs provavelmente será bom (na maioria dos modelos de amplificadores operacionais e na maioria das aplicações). Tente 40 kΩ para R 1 e 20 kΩ para R 2 .

Obviamente, isso não é ideal em todas as circunstâncias, mas geralmente deve funcionar bem com uma troca razoável entre consumo de energia e nível de ruído. Olin Lanthrop e Peter Smith explicaram em detalhes quais desvantagens você obtém com valores de resistência muito altos ou muito baixos.

leftaroundabout
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+1 - embora eu ache que essa resposta se sairia melhor como um comentário, você merece um voto positivo por afirmar claramente o que a maioria de nós já sabe, mas o que raramente é dito - que a maioria dos amplificadores operacionais geralmente pode ir bem com valores de 10 mil . Eu iria um pouco mais longe, ao afirmar que o intervalo usual de valor R para a maioria dos aplicativos comuns de EE é de 100 a 100k, e os amplificadores operacionais são dispositivos que funcionam melhor com valores próximos ao limite superior. Eu mesmo encontrei alguns amplificadores operacionais baratos que não queriam funcionar bem com 47k-100k res, indo para a faixa de 10k-33k os fez funcionar perfeitamente.