Pilih nilai yang lebih baik (dalam hal jangkauan) untuk resistor di rangkaian op-amp non-pembalik ini

Hari ini saya melihat amplifier operasional; dari apa yang saya lihat, mengimplementasikannya dalam suatu rangkaian cukup sederhana, setidaknya ketika mereka terhubung sebagai "non-pembalik". Menentukan penguatan / penguatan dimungkinkan dengan melakukan perhitungan dua resistor, R1 dan R2 (haruskah R2 disebut "resistor umpan balik"?)

(Gambar diambil dari http://mustcalculate.com/electronics/noninvertingopamp.php .)

Biarkan saya melakukan contoh praktis untuk menjelaskan di mana pertanyaan saya:

Dalam contoh saya, saya memilih untuk mengimplementasikan op-amp (misalnya, TLV272 , yang juga "rail to rail") sebagai "penguat non pembalik". Lalu saya ingin menambah voltase 10 volt menjadi 15 volt (pastinya, saya akan memberi makan op-amp dengan catu daya 15 volt). Nah: dengan persamaan saya harus memilih nilai 20 kΩ untuk R1 dan nilai 10 kΩ untuk R2, yang sama dengan amplifikasi 3,522 dB (gain tegangan 1,5).

OK, tapi saya juga bisa melakukan hal yang sama dengan memilih R1 sebagai 200 kΩ dan R2 sebagai 100 kΩ, atau meningkatkan nilai-nilai ini sampai R1 dari 200 MΩ dan R2 dari 100 MΩ (atau sebaliknya: R1 dari 2 milliohm dan R2 dari 1 milliohm): dalam semua kasus ini saya masih akan mendapatkan keuntungan 1,5, tetapi dengan rentang resistor yang sama sekali berbeda, dalam hal nilai.

Saya tidak dapat memahami kriteria (dalam hal kisaran) bagaimana resistor ini harus dipilih. Mungkin kriteria ini terkait dengan jenis sinyal yang harus dimanipulasi oleh op-amp pada inputnya? Atau apa lagi? Dan dalam contoh praktis, yang akan menjadi perbedaan jika saya meningkatkan sinyal menggunakan "R1 = 2 kΩ R2 = 1 kΩ" dan "R1 = 200 MΩ R2 = 100 MΩ"?

EDIT: Saya telah melihat bahwa pertanyaan saya telah diedit, juga untuk memperbaiki tata bahasa saya: terima kasih. Saya minta maaf atas kesalahan ejaan saya, tetapi bahasa Inggris bukan bahasa utama saya. Lain kali, saya akan melakukan upaya untuk lebih akurat dalam tata bahasa saya.

Seperti yang telah Anda ketahui, gain hanya merupakan fungsi dari rasio dua resistor. Karena itu, pada pandangan pertama, 2 kΩ / 1 kΩ, dan 2 MΩ / 1 MΩ adalah sama. Mereka, idealnya, dalam hal perolehan, tetapi ada pertimbangan lain.

Pertimbangan nyata terbesar adalah arus yang ditarik dua resistor dari output. Pada 15 V keluar, kombinasi 2kΩ / 1kΩ menyajikan beban 3 kΩ dan akan menarik (15 V) / (3 kΩ) = 5 mA. Kombinasi 2MΩ / 1MΩ juga hanya akan menghasilkan 5 μA.

Apa masalahnya? Pertama, Anda harus mempertimbangkan apakah opamp bahkan dapat sumber 5 mA di samping beban apa pun yang Anda inginkan. Mungkin 5 mA tidak ada masalah, tapi jelas ada batasnya di suatu tempat. Bisakah itu sumber 50 mA? Mungkin, tapi mungkin juga tidak. Anda tidak bisa terus membuat R1 dan R2 lebih rendah, bahkan menjaga rasio mereka tetap sama, dan membuat sirkuit terus bekerja.

Bahkan jika opamp dapat memasok arus untuk nilai R1 + R2 yang Anda pilih, Anda harus mempertimbangkan apakah Anda ingin menghabiskan arus itu. Ini bisa menjadi masalah nyata dalam perangkat yang dioperasikan dengan baterai. Pengurasan kontinyu 5 mA mungkin jauh lebih banyak daripada kebutuhan sirkuit lainnya, dan alasan utama untuk masa pakai baterai yang pendek.

Ada batasan lain juga pada resistensi tinggi. Node impedansi tinggi pada umumnya lebih rentan terhadap pengambilan noise, dan resistor bernilai tinggi memiliki lebih banyak noise yang melekat.

Tidak ada opamp yang sempurna, dan impedansi inputnya tidak nol. Pembagi R1 dan R2 membentuk sumber tegangan impedansi R1 // R2 yang menggerakkan input pembalik opamp. Dengan 2MΩ / 1MΩ, kombinasi paralel ini adalah 667 kΩ. Itu harus kecil dibandingkan dengan impedansi input opamp yang lain akan ada kesalahan offset yang signifikan. Input bias opamp saat ini juga harus diperhitungkan. Misalnya, jika arus bias input adalah 1 µA, maka tegangan offset yang disebabkan oleh sumber 667 kΩ yang menggerakkan input adalah 667 mV. Itu kesalahan besar yang tidak mungkin diterima.

Masalah lain dengan impedansi tinggi adalah bandwidth rendah. Akan selalu ada kapasitansi parasit. Katakanlah misalnya bahwa jaring yang terhubung ke dua resistor dan input pembalik memiliki kapasitansi 10 pF ke ground. Dengan 667 kΩ mengendarainya, Anda memiliki filter low pass hanya 24 kHz. Itu mungkin dapat diterima untuk aplikasi audio, tetapi merupakan masalah serius di banyak aplikasi lain. Anda mungkin mendapatkan gain yang jauh lebih sedikit pada frekuensi tinggi daripada yang Anda harapkan dari produk bandwidth-gain dari opamp dan gain umpan balik.

Seperti halnya segala sesuatu di bidang teknik, ini merupakan tradeoff. Anda memiliki dua derajat kebebasan dalam memilih dua resistor. Keuntungan yang Anda inginkan hanya mencapai satu derajat. Anda harus menukar persyaratan saat ini dan impedansi keluaran untuk memutuskan yang kedua.

Seperti disebutkan di atas, resistor umpan balik bernilai rendah memiliki arus yang relatif tinggi yang harus dikendarai oleh penguat. Dalam amplifier pembalik, Rin mengatur impedansi input, jadi yang terbaik adalah tidak memiliki nilai terlalu rendah karena sumber sinyal harus menggerakkan ini.

Di ujung lain dari skala, resistor yang sangat besar tidak hanya menghasilkan noise (thermal atau noise Johnson), tetapi karena kapasitansi alami * bagian, mereka membentuk filter dalam loop umpan balik, yang paling buruk dapat merusak stabilitas loop penguat. Terlepas dari mengubah respons ac sirkuit Anda dengan cara yang menarik dan menarik, efek ini semakin buruk pada keuntungan yang lebih rendah, dan pada keuntungan di bawah 4 (biasanya, tergantung pada amplifier spesifik) dapat menggigit dengan sangat menyakitkan. Memang, ada banyak amplifier yang dirancang khusus untuk mendapatkan gain minimum dan tidak stabil di bawah gain ini (keuntungannya termasuk spesifikasi transien yang lebih baik).

Sebagai aturan umum, saya membatasi resistor umpan balik tidak lebih dari ~ 220k untuk konfigurasi pembalik atau non-pembalik. Jika ini tidak menghasilkan keuntungan yang cukup, gunakan tahap keuntungan tambahan.

Ada trik yang bisa dilakukan (jaringan T resistor dalam loop umpan balik adalah yang terkenal) untuk meningkatkan gain satu tahap, tetapi amplifier murah dan membutuhkan ruang yang dapat diabaikan.

Dalam topologi pembalik, pilihan resistor umpan balik terutama didorong oleh persyaratan sumber sinyal yang menetapkan ukuran resistor input (biasanya minimum).

• Ini menjadi jelas ketika seseorang mendefinisikan kapasitansi yang ada antara dua titik potensial listrik yang berbeda

HTH

Untuk memberikan jawaban yang sangat singkat: sesuatu dalam kisaran puluhan ks mungkin akan bagus (dengan sebagian besar model OP-amp dan untuk sebagian besar aplikasi). Coba 40 kΩ untuk R ₁ dan 20 kΩ untuk R ₂ .

Ini tentu saja tidak ideal dalam semua keadaan, tetapi biasanya harus bekerja dengan tradeoff yang masuk akal antara konsumsi daya dan tingkat kebisingan. Olin Lanthrop dan Peter Smith telah menjelaskan secara rinci kerugian apa yang Anda dapatkan dengan nilai resistansi yang terlalu tinggi atau terlalu rendah.