Escolhendo valores de resistores para inversão de amplificador e por quê?

O ganho aqui é A = -R _f / Rin. No entanto, digamos que eu queira um ganho de 10 V / V. Qual valor do resistor você escolheria e por quê?

Eu sei que você poderia ter um número infinito de combinações para esses resistores, mas por que alguém usaria um valor específico? ou seja, R _f = 100Mohm, R _in = 10Mohm fornece um ganho de 10V / V, mas também _Rf = 10 ohm e R _in = 1 ohm fornece um ganho de 10V / V. Que diferença faria para o design?

Penso que os resistores de valor mais alto não são precisos, portanto, isso não lhe proporcionaria ganho preciso e o uso de resistores de valor mais baixo afunda a corrente mais alta da fonte (V _in ). Existem outras razões? Além disso, deixe-me saber se estou certo ou errado também.

Existem falhas na escolha de resistores muito grandes e muito pequenos. Eles geralmente lidam com o comportamento não ideal dos componentes (ou seja, amplificadores de operação) ou outros requisitos de projeto, como energia e calor.

Resistores pequenos significa que você precisa de uma corrente muito maior para fornecer as quedas de tensão apropriadas para o funcionamento do amplificador operacional. A maioria dos amplificadores operacionais é capaz de fornecer 10s de mA (consulte a folha de dados do amplificador operacional para detalhes exatos). Mesmo que o amplificador operacional possa fornecer muitos amplificadores, haverá muito calor gerado nos resistores, o que pode ser problemático.

Por outro lado, resistores grandes enfrentam dois problemas relacionados ao comportamento não ideal dos terminais de entrada do Op-Amp. Ou seja, é assumido que um amplificador operacional ideal tem uma impedância infinita de entrada. A física não gosta de infinitos e, na realidade, há alguma corrente finita fluindo para os terminais de entrada. Pode ser do tipo grande (poucos micro amperes) ou pequeno (poucos picoamps), mas não é 0. Isso é chamado de corrente de polarização de entrada dos amplificadores operacionais .

O problema é agravado porque existem dois terminais de entrada e nada os obriga a ter exatamente a mesma corrente de polarização de entrada. A diferença é conhecida como corrente de compensação de entrada , e isso geralmente é muito pequeno comparado à corrente de polarização de entrada. No entanto, isso se tornará problemático com uma resistência muito grande de uma maneira mais irritante do que as correntes de polarização de entrada (explicadas abaixo).

Aqui está um circuito redesenhado para incluir esses dois efeitos. O amplificador operacional aqui é considerado "ideal" (existem outros comportamentos não ideais que estou ignorando aqui), e esses comportamentos não ideais foram modelados com fontes ideais.

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

Observe que existe um resistor R2 adicional. No seu caso, R2 é muito pequeno (se aproximando de zero), portanto, uma pequena resistência vezes uma pequena corrente de polarização I2 é uma voltagem muito pequena em R2.

No entanto, observe que se R1 e R3 são muito grandes, a corrente que flui para a entrada inversora é muito pequena, na mesma ordem que (ou pior, menor que) I1. Isso prejudicará o ganho que seu circuito fornecerá (deixarei a derivação matemática como um exercício para o leitor: D)

Nem tudo está perdido só porque há uma grande corrente de viés! Veja o que acontece se você fizer R2 igual a R1 || R3 (combinação paralela): se I1 e I2 estiverem muito próximos um do outro (baixa corrente de compensação de entrada), você poderá negar o efeito da corrente de polarização de entrada! No entanto, isso não resolve o problema da corrente de compensação de entrada e há ainda mais problemas com a forma de lidar com o desvio.

Não há realmente uma boa maneira de neutralizar a corrente de compensação de entrada. Você pode medir partes individuais, mas as partes flutuam com o tempo. Você provavelmente está melhor usando uma peça melhor para começar e / ou resistores menores.

Em resumo: escolha valores no intervalo intermediário. O que isso significa é um tanto vago; você precisará realmente começar a escolher as peças, olhar as folhas de dados e decidir o que é "bom o suficiente" para você. Dez anos de kohms podem ser um bom ponto de partida, mas isso não é de forma alguma universal. E provavelmente não haverá um valor ideal para escolher normalmente. Muito provavelmente, haverá uma gama de valores que fornecerão resultados aceitáveis. Em seguida, você terá que decidir quais valores usar com base em outros parâmetros (por exemplo, se você já estiver usando outro valor, pode ser uma boa opção para fazer pedidos em massa e torná-lo mais barato).

No seu circuito específico de amplificador operacional, a tensão na junção de Rf e Rin é a mesma da tensão na entrada não inversora. Isso tem que ser assim - é chamado de terra virtual. Dado esse fato, isso significa que seu sinal (Vin) vê uma impedância de entrada exatamente de Rin. Isso também significa que sua saída (sem conectar-se a mais nada) precisa gerar uma carga de saída que é Rf.

Esses dois fatos geralmente ditam que Rf e Rin não são muito pequenos, ou seja, são 50 ohms ou mais.

O amplificador operacional possui outras coisas, o que significa que você precisa evitar os valores dos resistores avançados. Esses são: -

• Capacitância parasitária da saída para a entrada inversora (em efeito em paralelo com Rf). Se Rf for muito grande, a resposta de frequência do circuito é limitada na extremidade alta do espectro.
• A capacitância de entrada pode causar algumas instabilidades se Rin for muito grande
• Ruído do resistor com a temperatura - esse é um fenômeno bem conhecido e significa que, para requisitos de circuito de baixo ruído, Rf e Rin não devem ser muito grandes.
• As correntes de fuga dentro e fora das entradas causam erros de CC se os resistores forem muito grandes.

Eu acho que é o suficiente por enquanto!

• Uma das diferenças importantes é a impedância de entrada que V (IN) vê, que é igual a R (IN).
• Outra diferença importante é que, com resistores de alta impedância, é mais fácil captar o ruído e a corrente de polarização de entrada do OPAMP terá um efeito maior no deslocamento da tensão de saída.
• Lembre-se também de que a saída deve ser capaz de acionar o resistor R (F).

Primeiro, seu diagrama é um amplificador inversor, não um inversor, como no cabeçalho da sua pergunta.

Existem alguns resistores comuns que produzem boas relações de ganho e, melhor ainda, resistores de precisão comuns com baixo coeficiente de temperatura e boas relações de resistência. Eu gosto de usar as peças de precisão, se possível. (O mesmo vale para tampões em amplificadores operacionais como para integradores - precisão de poliestireno e temperatura estável). Como 10K / 1K ou 33K / 3.3K. Além de 100K / 10K, a resistência fica alta o suficiente para que a pequena capacitância no circuito comece a transformar seu circuito em um integrador ou diferenciador (ou filtro passa-baixo).

Valores muito baixos de Rin carregam a entrada e valores altos de Rf aumentam a impedância de saída. Esses problemas são facilmente superados. A maioria dos pacotes de amplificadores operacionais possui mais de um OA. Use um como seguidor de tensão e como entrada para o seu OA que tenha ganho. Seu circuito total apresenta uma impedância de entrada muito alta e seu OA com ganho vê uma impedância muito baixa em sua entrada e você pode usar valores baixos ou Rin. Você também pode usar um seguidor de OA na saída para ter alta corrente de acionamento e saída de baixa impedância. Você pode configurar facilmente a saída para corresponder à impedância do próximo circuito ou a um cabo coaxial, etc. Gosto de usar resistores de alta precisão e baixa temperatura, ou potes de baixa temperatura (ou potes digitais) para Rf e compensação para ganho.

Eu usei 1M / 1K para um ganho de 1000 (2 em uma linha dá 1 milhão) com passa-baixo para sismologia, mas essa é uma largura de banda de alguns Hz e funciona mesmo com o uA741. O LM308 requer muito menos corte. Boas OA modernas são ótimas em comparação. Se você entrar na área de 10M a 100M para Rf, sua largura de banda diminuirá e o ruído aumentará.

A afirmação de que "resistores de valor mais alto não são precisos para não oferecer ganhos precisos" geralmente não é verdadeira em si mesma (mas é verdadeira por procuração por outros motivos, como discutirei abaixo).

$$R_\text{nominal}(1 - x) \leq R_{\text{actual}} \leq R_\text{nominal}(1 + x)$$ $$\frac{R_{1,\text{nominal}}(1-x)}{R_{2,\text{nominal}}(1+x)} \leq \left(\frac{R_1}{R_2}\right)_\text{actual} \leq \frac{R_{1,\text{nominal}}(1+x)}{R_{2,\text{nominal}}(1-x)}$$

Observe, em primeiro lugar, que a tolerância na relação é maior que a tolerância nos resistores individuais. É bom ter em mente se você deseja obter um ganho preciso. No entanto, a tolerância ao ganho não aumenta com os valores nominais de resistência, desde que a relação seja constante.

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No entanto, resistores muito grandes reduzem a precisão por outros motivos. Duas que já foram mencionadas em outras respostas são (i) o efeito de polarização e correntes de compensação; (ii) ruído de Johnson.

Outra razão que não foi mencionada é que resistores muito grandes começam a se tornar comparáveis ​​à resistência do ambiente (por exemplo, a placa de circuito impresso), especialmente na presença de umidade e / ou salinidade. Isso faz torná-los impreciso, porque eles agora são vistos pelo circuito em paralelo com o que está em torno deles.

A linha inferior é, tente evitar resistências maiores que 1MOhm, se possível, e realmente tente evitar algo acima de 10MOhm. No outro extremo do espectro, cerca de 1k é geralmente o limite inferior.