Elija los mejores valores (en términos de rango) para resistencias en este circuito de amplificador operacional no inversor

En estos días estoy mirando amplificadores operacionales; por lo que he visto, implementarlos en un circuito es bastante simple, al menos cuando están conectados como "no invertidos". Es posible determinar la ganancia / amplificación haciendo un cálculo de dos resistencias, R1 y R2 (¿R2 debería llamarse "resistencia de retroalimentación"?)

(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 amplificador operacional (por ejemplo, el TLV272 , que también es "riel a riel") como "amplificador no inversor". Entonces quiero aumentar un voltaje de 10 voltios a 15 voltios (para estar seguro, alimentaré el amplificador operacional con una fuente de alimentación de 15 voltios). Bueno: según la ecuación, tengo que elegir un valor de 20 kΩ para R1 y un valor de 10 kΩ para R2, que es igual a una amplificación de 3.522 dB (ganancia de voltaje 1.5).

OK, pero también podría hacer lo mismo eligiendo R1 como 200 kΩ y R2 como 100 kΩ, o aumentar estos valores hasta R1 de 200 MΩ y R2 de 100 MΩ (o en el opuesto: R1 de 2 miliohm y R2 de 1 miliohm): en todos estos casos todavía tendré una ganancia de 1.5, pero con rangos de resistencias totalmente diferentes, en términos de valores.

No puedo entender los criterios (en términos de rango) de cómo se deben elegir estas resistencias. ¿Quizás este criterio está relacionado con el tipo de señal que el amplificador operacional tendrá que manipular en su entrada? O que mas? Y en el ejemplo práctico, ¿cuál será la diferencia si aumento una señal usando "R1 = 2 kΩ R2 = 1 kΩ" y "R1 = 200 MΩ R2 = 100 MΩ"?

EDITAR: He visto que mi pregunta ha sido editada, también para corregir mi gramática: gracias. Lamento mis errores ortográficos, pero el inglés no es mi idioma principal. La próxima vez, intentaré ser más preciso en mi gramática.

Como has descubierto, la ganancia es solo 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. 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 de 2kΩ / 1kΩ presenta una carga de 3 kΩ y extraerá (15 V) / (3 kΩ) = 5 mA. La combinación de 2MΩ / 1MΩ también dibujará solo 5 µA.

¿Qué importa esto? Primero, debe considerar si el opamp puede incluso generar 5 mA además de cualquier carga que desee que conduzca. Quizás 5 mA no sea un problema, pero obviamente hay un límite en alguna parte. ¿Puede generar 50 mA? Quizás, pero probablemente no. No puede seguir bajando R1 y R2, incluso manteniendo su proporción igual, y hacer que el circuito continúe funcionando.

Incluso si el opamp puede suministrar la corriente para el valor R1 + R2 que seleccionó, debe considerar si desea gastar esa corriente. Esto puede ser un problema real en un dispositivo con batería. La descarga continua de 5 mA puede ser mucho más de lo que necesita el resto del circuito, y la razón principal de la corta duración de la batería.

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

Ningún opamp es perfecto y su impedancia de entrada no es cero. El divisor R1 y R2 forma una fuente de voltaje de impedancia R1 // R2 que impulsa la entrada inversora del opamp. Con 2MΩ / 1MΩ, esta combinación paralela es de 667 kΩ. Eso debe ser pequeño en comparación con la impedancia de entrada del opamp; de lo contrario, habrá un error de compensación significativo. La corriente de polarización de entrada opamp también debe tenerse en cuenta. Por ejemplo, si la corriente de polarización de entrada es 1 µA, entonces el voltaje de compensación causado por la fuente de 667 kΩ que impulsa la entrada es 667 mV. Es un gran error que probablemente no sea aceptable.

Otro problema con 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 la entrada inversora tiene una capacitancia de 10 pF a tierra. Con 667 kΩ conduciéndolo, tiene un filtro de paso bajo a solo 24 kHz. Eso puede ser aceptable para una aplicación de audio, pero es un problema grave en muchas otras aplicaciones. Es posible que obtenga mucha menos ganancia a altas frecuencias de lo que espera del producto de ancho de banda de ganancia del amplificador operacional y la ganancia de retroalimentación.

Como con todo en ingeniería, es una compensación. Tienes dos grados de libertad para elegir las dos resistencias. La ganancia que desea solo se clava un grado. Debe cambiar los requisitos actuales y la impedancia de salida para decidir el segundo.

Como se mencionó anteriormente, las resistencias de retroalimentación de bajo valor tienen una corriente relativamente alta que el amplificador debe conducir. 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 controlar esto.

En el otro extremo de la escala, las resistencias muy grandes no solo generan ruido (ruido térmico o Johnson), sino que, debido a la capacitancia natural * de la pieza, forman un filtro en el circuito de retroalimentación, que en el peor de los casos puede socavar la estabilidad del circuito. del amplificador Además de cambiar la respuesta de CA de su circuito de maneras interesantes y emocionantes, este efecto empeora con ganancias más bajas, y con ganancias por debajo de 4 (generalmente, depende del amplificador específico) puede morder con bastante dolor. De hecho, existen 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 invertidas o no invertidas. Si esto no produce una ganancia suficiente, use una etapa de ganancia adicional.

Hay trucos que uno puede hacer (una red T de resistencias en el circuito de retroalimentación es bien conocida) para aumentar la ganancia de una sola etapa, pero los amplificadores son baratos y ocupan un espacio insignificante.

En las topologías de inversión, la elección de la resistencia de retroalimentación depende principalmente de los requisitos de la fuente de señal que establece el tamaño de la resistencia de entrada (generalmente mínimo).

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

HTH

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

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