¿Elegir valores de resistencia para amplificador inversor y por qué?

La ganancia aquí es A = -R _f / Rin. Sin embargo, digamos que quiero una ganancia de 10 V / V. ¿Qué valor de resistencia elegirías 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 _in = 10Mohm da una ganancia de 10V / V pero también R _f = 10 ohm y R _in = 1 ohm da la ganancia de 10V / V. ¿Qué diferencia haría en el diseño?

Mis pensamientos dicen que las resistencias de mayor valor no son precisas, por lo que no le darían una ganancia precisa y el uso de resistencias de menor valor hunde una corriente más alta de la fuente (V _in ). ¿Hay alguna otra razón? Además, avíseme si también estoy en lo cierto o no.

Hay desventajas al elegir resistencias muy grandes y resistencias muy pequeñas. Por lo general, se refieren al comportamiento no ideal de los componentes (es decir, amplificadores operacionales) u otros requisitos de diseño, como la potencia y el calor.

Las resistencias pequeñas significan que necesita una corriente mucho más alta para proporcionar las caídas de voltaje adecuadas para que funcione el amplificador operacional. La mayoría de los amplificadores operacionales pueden proporcionar 10 de mA (consulte la hoja de datos del amplificador operacional para obtener detalles exactos). Incluso si el amplificador operacional puede proporcionar muchos amplificadores, se generará mucho calor en las resistencias, lo que puede ser problemático.

Por otro lado, las resistencias grandes tienen dos problemas relacionados con el comportamiento no ideal de los terminales de entrada del amplificador operacional. A saber, se supone que un amplificador operacional 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. Podría ser un poco grande (pocos micro amplificadores) o pequeño (pocos picoamperios), pero no es 0. Esto se llama corriente de polarización de entrada de amplificadores operacionales .

El problema se agrava porque hay dos terminales de entrada, y no hay nada que los obligue a tener exactamente la misma corriente de polarización de entrada. La diferencia se conoce como corriente de compensación de entrada , y generalmente es bastante pequeña en comparación con la corriente de polarización de entrada. Sin embargo, se volverá problemático con una resistencia muy grande de una manera más molesta que las corrientes de polarización de entrada (explicadas a continuación).

Aquí hay un circuito rediseñado para incluir estos dos efectos. Se supone que el amplificador operacional aquí es "ideal" (hay otros comportamientos no ideales que estoy ignorando aquí), y estos comportamientos no ideales se han modelado con fuentes ideales.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Observe que hay una resistencia adicional R2. En su caso, R2 es muy pequeño (cercano a cero), por lo que una resistencia pequeña multiplicada por una corriente de polarización pequeña I2 es un voltaje muy pequeño en R2.

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

¡No todo está perdido solo porque hay una gran corriente de sesgo! Mire lo que sucede si hace que R2 sea igual a R1 || R3 (combinación paralela): si I1 e I2 están muy cerca el uno del otro (corriente de compensación de entrada baja), puede negar el efecto de la corriente de polarización de entrada. Sin embargo, esto no resuelve el problema con la corriente de compensación de entrada, y hay aún más problemas con la forma de manejar la deriva.

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

En resumen: seleccione valores en el rango medio-ish. Lo que esto significa es algo vago, necesitará comenzar a elegir partes, mirar hojas de datos y decidir qué es "suficientemente bueno" para usted. Los 10 de kohms pueden ser un buen punto de partida, pero esto no es universal. Y probablemente no habrá 1 valor ideal para elegir generalmente. Es más que probable que haya un rango de valores que proporcionarán resultados aceptables. Luego tendrá que decidir qué valores usar en función de otros parámetros (por ejemplo, si ya está usando otro valor, esa podría ser una buena opción para que pueda ordenar en grandes cantidades y hacerlo más barato).

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

Estos dos hechos generalmente dictan que Rf y Rin no son muy pequeños, es decir, tienen 50 ohmios o más.

El amplificador operacional tiene otras cosas que significa que debe evitar los valores de resistencia de extremo superior. Estos son: -

• Capacitancia parásita desde la salida hasta la entrada inversora (en efecto en paralelo con Rf). Si Rf es demasiado grande, la respuesta de 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 resistencia con temperatura: este es un fenómeno bien conocido y significa que, para requisitos de circuito de bajo ruido, Rf y Rin no deben ser demasiado grandes.
• Las corrientes de fuga dentro y fuera de las entradas causan errores de CC si las resistencias son demasiado grandes.

¡Creo que es suficiente por ahora!

• 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 detectar el ruido y la corriente de polarización de entrada del OPAMP tendrá un efecto mayor en el desplazamiento del voltaje de salida.
• También recuerde que la salida debe ser capaz de manejar la resistencia R (F).

Primero, su diagrama es un amplificador inversor, no un no inversor como en el encabezado de su pregunta.

Hay algunas resistencias comunes que hacen buenas relaciones de ganancia y mejor aún, resistencias comunes de precisión con coeficiente de baja temperatura y buenas relaciones de resistencia. Me gusta usar las piezas de precisión si es posible. (Lo mismo es cierto para tapas en amplificadores operacionales como para integradores: precisión de poliestireno y temperatura estable). Como 10K / 1K o 33K / 3.3K. Más allá de 100K / 10K, la resistencia se eleva lo suficiente 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 de Rin muy bajos cargan la entrada y los valores de Rf altos aumentan la impedancia de salida. Estos problemas se superan fácilmente. La mayoría de los paquetes op-amp tienen más de un OA. Use uno como seguidor de voltaje y como la 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 usar valores bajos o Rin. También puede usar un seguidor de OA en la salida para tener una corriente de accionamiento alta y una salida de baja impedancia. Incluso puede configurar fácilmente la salida para que coincida con la impedancia del siguiente circuito o un cable coaxial, etc. Me gusta usar resistencias de baja temperatura de alta precisión o macetas de baja temperatura (o macetas digitales) para Rf y recortar para ganancia.

He usado 1M / 1K para una ganancia de 1000 (2 en una fila da 1 millón) con paso bajo para sismología, pero este es un ancho de banda de pocos Hz y funciona incluso con el bajo uA741. LM308 requiere mucho menos ajuste. Los buenos OA modernos son geniales en comparación. Si entra en el área de 10M a 100M para Rf, su ancho de banda disminuirá y el ruido aumentará.

La afirmación de que "las resistencias de mayor valor no son precisas por lo que no le darían una ganancia precisa" generalmente no es del todo cierto en sí mismo (pero es cierto por proxy por otras razones, como discutiremos más adelante).

Tenga en cuenta, en primer lugar, que la tolerancia en la relación es mayor que la tolerancia en las resistencias individuales. Es bueno tenerlo en cuenta si desea una ganancia precisa. Sin embargo, la tolerancia de ganancia no aumenta con los valores de resistencia nominales, siempre que la relación sea constante.

Sin embargo, las resistencias muy grandes reducen la precisión debido a otras razones. Dos que ya se han mencionado en otras respuestas son (i) el efecto del sesgo y las corrientes de compensación; (ii) ruido de Johnson.

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

La conclusión es, trate de evitar resistencias mayores de 1MOhm si es posible, y realmente trate de evitar cualquier cosa por encima de 10MOhm. En el otro extremo del espectro, alrededor de 1k suele ser el límite inferior.