Escolha os melhores valores (em termos de faixa) para resistores neste circuito op-amp não inversor

Hoje em dia eu estou olhando para amplificadores operacionais; pelo que vi, implementá-las em um circuito é bastante simples, pelo menos quando elas são conectadas como "não inversoras". A determinação do ganho / amplificação é possível através do cálculo de dois resistores, R1 e R2 (R2 deve ser chamado de "resistor de realimentação"?)

(A imagem é tirada em http://mustcalculate.com/electronics/noninvertingopamp.php .)

Deixe-me fazer um exemplo prático para explicar onde estão minhas perguntas:

No meu exemplo, optei por implementar um amplificador operacional (por exemplo, o TLV272 , que também é "trilho a trilho") como "amplificador não inversor". Então, quero aumentar uma voltagem de 10 volts para 15 volts (com certeza, alimentarei o amplificador operacional com uma fonte de alimentação de 15 volts). Bem: pela equação, tenho que escolher um valor de 20 kΩ para R1 e um valor de 10 kΩ para R2, que é igual a uma amplificação de 3,522 dB (ganho de tensão 1,5).

OK, mas eu também poderia fazer o mesmo escolhendo R1 como 200 kΩ e R2 como 100 kΩ, ou aumentar esses valores até R1 de 200 MΩ e R2 de 100 MΩ (ou exatamente o oposto: R1 de 2 miliohm e R2 de 1 miliohm): em todos esses casos, ainda terei um ganho de 1,5, mas com faixas de resistores totalmente diferentes, em termos de valores.

Não consigo entender os critérios (em termos de faixa) de como esses resistores devem ser escolhidos. Talvez esse critério esteja relacionado ao tipo de sinal que o amplificador operacional terá que manipular em sua entrada? Ou o que mais? E no exemplo prático, qual será a diferença se eu aumentar um sinal usando "R1 = 2 kΩ R2 = 1 kΩ" e "R1 = 200 MΩ R2 = 100 MΩ"?

EDIT: Vi que minha pergunta foi editada, também para corrigir minha gramática: obrigado. Sinto muito pelos meus erros de ortografia, mas o inglês não é o meu idioma principal. Da próxima vez, tentarei ser mais preciso na minha gramática.

Como você descobriu, o ganho é apenas uma função da proporção dos dois resistores. Portanto, à primeira vista, 2 kΩ / 1 kΩ e 2 MΩ / 1 MΩ são equivalentes. Eles são, idealmente, em termos de ganho, mas há outras considerações.

A maior consideração óbvia é a corrente que os dois resistores extraem da saída. Com saída de 15 V, a combinação 2kΩ / 1kΩ apresenta uma carga de 3 kΩ e consumirá (15 V) / (3 kΩ) = 5 mA. A combinação 2MΩ / 1MΩ também consumirá apenas 5 µA.

O que isso importa? Primeiro, você deve considerar se o opamp pode fornecer 5 mA além da carga que você deseja que ele conduza. Talvez 5 mA não seja um problema, mas obviamente há um limite em algum lugar. Ele consegue 50 mA? Talvez, mas provavelmente não. Você não pode simplesmente continuar diminuindo o R1 e o R2, mantendo a proporção igual e manter o circuito funcionando.

Mesmo que o opamp possa fornecer a corrente para o valor R1 + R2 que você escolheu, você deve considerar se deseja gastar essa corrente. Isso pode ser um problema real em um dispositivo operado por bateria. O dreno contínuo de 5 mA pode ser muito mais do que o restante do circuito precisa, e o principal motivo para a curta duração da bateria.

Existem outros limites também em altas resistências. Nós de alta impedância em geral são mais suscetíveis a captar ruídos e resistores de alto valor possuem ruídos mais inerentes.

Nenhum opamp é perfeito e sua impedância de entrada não é zero. O divisor R1 e R2 forma uma fonte de tensão de impedância R1 // R2, acionando a entrada inversora do opamp. Com 2MΩ / 1MΩ, essa combinação paralela é de 667 kΩ. Isso precisa ser pequeno em comparação com a impedância de entrada do opamp, caso contrário, haverá um erro de deslocamento significativo. A corrente de polarização da entrada do opamp também deve ser levada em consideração. Por exemplo, se a corrente de polarização da entrada é de 1 µA, a tensão de desvio causada pela fonte de 667 kΩ que aciona a entrada é de 667 mV. É um erro grande que provavelmente não será aceitável.

Outro problema com alta impedância é a baixa largura de banda. Sempre haverá alguma capacitância parasitária. Digamos, por exemplo, que a rede conectada aos dois resistores e à entrada inversora tenha capacitância de 10 pF ao terra. Com 667 kΩ dirigindo, você tem um filtro passa-baixo em apenas 24 kHz. Isso pode ser aceitável para um aplicativo de áudio, mas um problema sério em muitos outros aplicativos. Você pode obter muito menos ganho em altas frequências do que o esperado com o produto de ganho de largura de banda do opamp e o ganho de feedback.

Como tudo na engenharia, é uma troca. Você tem dois graus de liberdade na escolha dos dois resistores. O ganho que você deseja apenas diminui um grau. Você precisa trocar os requisitos atuais e a impedância de saída para decidir o segundo.

Como mencionado acima, os resistores de feedback de baixo valor têm uma corrente relativamente alta que o amplificador deve acionar. Em um amplificador inversor, Rin define a impedância de entrada; portanto, é melhor não ter um valor muito baixo porque a fonte de sinal deve acionar isso.

No outro extremo da escala, resistores muito grandes não apenas geram ruído (ruído térmico ou Johnson), mas devido à capacitância natural * da peça, formam um filtro no circuito de realimentação, o que na pior das hipóteses pode prejudicar a estabilidade do circuito. do amplificador. Além de alterar a resposta de corrente alternada do seu circuito de maneiras interessantes e atraentes, esse efeito piora com ganhos mais baixos e ganhos abaixo de 4 (normalmente, depende do amplificador específico) podem ser dolorosos. De fato, existem inúmeros amplificadores projetados especificamente para obter um ganho mínimo e são instáveis ​​abaixo desse ganho (as vantagens incluem melhores especificações transitórias).

Como regra geral, limito os resistores de realimentação a não mais que ~ 220k para configurações inversoras ou não inversoras. Se isso não gerar ganho suficiente, use um estágio de ganho extra.

Existem truques que podemos fazer (uma rede T de resistores no loop de feedback é bem conhecida) para aumentar o ganho de um único estágio, mas os amplificadores são baratos e ocupam pouco espaço.

Na inversão de topologias, a escolha do resistor de realimentação é orientada principalmente pelos requisitos da fonte de sinal que define o tamanho do resistor de entrada (geralmente mínimo).

• Isso fica claro quando se define capacitância como existente entre dois pontos de potencial elétrico diferente

HTH

Para dar uma resposta muito curta: algo no intervalo de dezenas de kΩs provavelmente será bom (na maioria dos modelos de amplificadores operacionais e na maioria das aplicações). Tente 40 kΩ para R ₁ e 20 kΩ para R ₂ .

Obviamente, isso não é ideal em todas as circunstâncias, mas geralmente deve funcionar bem com uma troca razoável entre consumo de energia e nível de ruído. Olin Lanthrop e Peter Smith explicaram em detalhes quais desvantagens você obtém com valores de resistência muito altos ou muito baixos.