Scegli i valori migliori (in termini di intervallo) per i resistori in questo circuito op-amp non invertente

In questi giorni sto guardando amplificatori operazionali; da quello che ho visto, implementarli in un circuito è abbastanza semplice, almeno quando sono collegati come "non invertenti". Determinare il guadagno / amplificazione è possibile facendo un calcolo di due resistori, R1 e R2 (R2 dovrebbe essere chiamato "resistore di retroazione"?)

(L'immagine è tratta da http://mustcalculate.com/electronics/noninvertingopamp.php .)

Lasciami fare un esempio pratico per spiegare dove sono le mie domande:

Nel mio esempio ho scelto di implementare un amplificatore operazionale (ad esempio, il TLV272 , che è anche "rail to rail") come "amplificatore non invertente". Quindi voglio aumentare una tensione da 10 volt a 15 volt (per essere sicuri, alimenterò l'amplificatore operazionale con un alimentatore di 15 volt). Bene: dall'equazione devo scegliere un valore di 20 kΩ per R1 e un valore di 10 kΩ per R2, che equivale a un'amplificazione di 3,522 dB (guadagno di tensione 1,5).

OK, ma potrei anche fare lo stesso scegliendo R1 come 200 kΩ e R2 come 100 kΩ, oppure aumentare questi valori fino a R1 di 200 MΩ e R2 di 100 MΩ (o al contrario: R1 di 2 milliohm e R2 di 1 milliohm): in tutti questi casi avrò comunque un guadagno di 1,5, ma con gamme di resistori totalmente diversi, in termini di valori.

Non riesco a capire i criteri (in termini di intervallo) su come scegliere questi resistori. Forse questo criterio è correlato al tipo di segnale che l'amplificatore operazionale dovrà manipolare sul suo input? O cos'altro? E nell'esempio pratico, quale sarà la differenza se aumenterò un segnale usando "R1 = 2 kΩ R2 = 1 kΩ" e "R1 = 200 MΩ R2 = 100 MΩ"?

EDIT: Ho visto che la mia domanda è stata modificata, anche per correggere la mia grammatica: grazie. Mi dispiace per i miei errori di ortografia, ma l'inglese non è la mia lingua principale. La prossima volta, cercherò di essere più preciso nella mia grammatica.

Come hai capito, il guadagno è solo una funzione del rapporto tra i due resistori. Pertanto, a prima vista, 2 kΩ / 1 kΩ e 2 MΩ / 1 MΩ sono equivalenti. Sono, idealmente, in termini di guadagno, ma ci sono altre considerazioni.

La più grande considerazione ovvia è la corrente che i due resistori attingono dall'uscita. A 15 V in uscita, la combinazione 2kΩ / 1kΩ presenta un carico di 3 kΩ e assorbirà (15 V) / (3 kΩ) = 5 mA. Anche la combinazione 2MΩ / 1MΩ assorbirà solo 5 µA.

Cosa importa? Innanzitutto, devi considerare se l'opamp può anche generare 5 mA oltre a qualsiasi carico tu voglia guidare. Forse 5 mA non è un problema, ma ovviamente c'è un limite da qualche parte. Può generare 50 mA? Forse, ma probabilmente no. Non puoi semplicemente continuare a ridurre R1 e R2, anche mantenendo il loro rapporto uguale, e avere il circuito continuare a funzionare.

Anche se l'opamp può fornire la corrente per il valore R1 + R2 che hai scelto, devi considerare se vuoi spendere quella corrente. Questo può essere un vero problema in un dispositivo a batteria. Il consumo continuo di 5 mA potrebbe essere molto più del resto del circuito e il motivo principale della breve durata della batteria.

Ci sono anche altri limiti ad alte resistenze. I nodi ad alta impedenza in generale sono più suscettibili alla raccolta del rumore e la resistenza di alto valore ha un rumore più intrinseco.

Nessun opamp è perfetto e la sua impedenza di ingresso non è zero. I divisori R1 e R2 formano una sorgente di tensione di impedenza R1 // R2 che comanda l'ingresso invertente dell'opamp. Con 2 MΩ / 1 MΩ, questa combinazione parallela è 667 kΩ. Ciò deve essere piccolo rispetto all'impedenza di ingresso dell'opamp, altrimenti si verificherà un errore di offset significativo. Anche la corrente di polarizzazione dell'ingresso opamp deve essere presa in considerazione. Ad esempio, se la corrente di polarizzazione dell'ingresso è 1 µA, la tensione di offset causata dalla sorgente 667 kΩ che guida l'ingresso è 667 mV. È improbabile che sia un grosso errore accettabile.

Un altro problema con alta impedenza è la larghezza di banda ridotta. Ci sarà sempre una certa capacità parassitaria. Diciamo ad esempio che la rete collegata ai due resistori e l'ingresso di inversione ha una capacità di 10 pF a terra. Con 667 kΩ che lo guidano, hai un filtro passa basso a soli 24 kHz. Ciò può essere accettabile per un'applicazione audio, ma un problema serio in molte altre applicazioni. Potresti ottenere un guadagno molto meno alle alte frequenze di quanto ti aspetti dal prodotto guadagno-larghezza di banda dell'opamp e dal guadagno di feedback.

Come per tutto ciò che riguarda l'ingegneria, è un compromesso. Hai due gradi di libertà nel scegliere i due resistori. Il guadagno che vuoi inchioda solo di un grado. Devi decidere i requisiti attuali e l'impedenza di uscita per decidere il secondo.

Come accennato in precedenza, i resistori di feedback di basso valore hanno una corrente relativamente alta che l'amplificatore deve pilotare. In un amplificatore a inversione, Rin imposta l'impedenza di ingresso, quindi è meglio non avere un valore troppo basso perché la sorgente del segnale deve guidare questo.

All'altra estremità della scala, resistori molto grandi non solo generano rumore (rumore termico o Johnson), ma a causa della capacità naturale * della parte, formano un filtro nel circuito di retroazione, che nella peggiore delle ipotesi può compromettere la stabilità del circuito dell'amplificatore. Oltre a modificare la risposta in ca del circuito in modo interessante e accattivante, questo effetto peggiora con guadagni più bassi e con guadagni inferiori a 4 (in genere, dipende dall'amplificatore specifico) può mordere abbastanza dolorosamente. In effetti, ci sono numerosi amplificatori progettati specificamente per avere un guadagno minimo e sono instabili al di sotto di questo guadagno (i vantaggi includono migliori specifiche dei transitori).

Come regola generale, limito i resistori di feedback a non più di ~ 220k per le configurazioni invertite o non invertenti. Se ciò non produce un guadagno sufficiente, utilizzare una fase di guadagno aggiuntiva.

Ci sono trucchi che si possono fare (una rete T di resistori nel circuito di feedback è ben nota) per aumentare il guadagno di un singolo stadio, ma gli amplificatori sono economici e occupano spazio trascurabile.

Invertendo le topologie, la scelta del resistore di retroazione è guidata principalmente dai requisiti della sorgente del segnale che imposta la dimensione del resistore di ingresso (generalmente minima).

• Ciò diventa chiaro quando si definisce la capacità esistente tra due punti qualsiasi di potenziale elettrico diverso

HTH

Per dare una risposta davvero breve: qualcosa nella gamma di decine di kΩ probabilmente sarà buono (con la maggior parte dei modelli di amplificatori operazionali e per la maggior parte delle applicazioni). Prova 40 kΩ per R ₁ e 20 kΩ per R ₂ .

Questo ovviamente non è l'ideale in tutte le circostanze, ma di solito dovrebbe funzionare bene con un ragionevole compromesso tra consumo energetico e livello di rumore. Olin Lanthrop e Peter Smith hanno spiegato in dettaglio quali svantaggi si ottengono con valori di resistenza troppo alti o troppo bassi.