การเลือกค่าตัวต้านทานสำหรับการแปลงแอมป์แล้วทำไม?

กำไรที่นี่คือ A = -R _f / Rin อย่างไรก็ตามสมมติว่าฉันต้องการได้รับ 10 V / V คุณจะเลือกค่าตัวต้านทานแบบไหนและทำไม?

ฉันรู้ว่าคุณอาจมีจำนวนไม่ จำกัด สำหรับตัวต้านทานเหล่านี้ แต่ทำไมบางคนถึงใช้ค่าเฉพาะ เช่น R _f = 100Mohm, R _ใน = 10Mohm ให้กำไร 10V / V แต่ยัง R _f = 10 ohm และ R _ใน = 1 ohm ให้กำไร 10V / V การออกแบบแตกต่างกันอย่างไร?

ความคิดของฉันบอกว่าตัวต้านทานค่าที่สูงกว่านั้นไม่แม่นยำดังนั้นมันจะไม่ให้ผลที่แม่นยำกับคุณและการใช้ตัวต้านทานค่าที่ต่ำกว่าจะทำให้กระแสที่สูงขึ้นจากแหล่งที่มา (V _in ) มีเหตุผลอื่นอีกไหม? นอกจากนี้แจ้งให้เราทราบหากฉันถูกหรือผิดเช่นกัน

มีข้อเสียคือการเลือกตัวต้านทานขนาดใหญ่และตัวต้านทานขนาดเล็กมาก สิ่งเหล่านี้มักจะจัดการกับพฤติกรรมที่ไม่เหมาะของส่วนประกอบ (เช่น Op-Amps) หรือข้อกำหนดการออกแบบอื่น ๆ เช่นพลังงานและความร้อน

ตัวต้านทานขนาดเล็กหมายความว่าคุณต้องการกระแสที่สูงกว่ามากเพื่อให้แรงดันตกที่เหมาะสมเพื่อให้ Op-amp ทำงานได้ แอมป์ส่วนใหญ่สามารถให้ mA 10 รายการได้ (ดูแผ่นข้อมูล Op-amp สำหรับรายละเอียดที่แน่นอน) แม้ว่า op-amp สามารถให้แอมป์ได้หลายตัว แต่ก็มีความร้อนจำนวนมากที่เกิดขึ้นในตัวต้านทานซึ่งอาจเป็นปัญหาได้

ในขณะที่ตัวต้านทานขนาดใหญ่พบปัญหาสองประการที่เกี่ยวข้องกับพฤติกรรมที่ไม่เหมาะของขั้วอินพุต Op-Amp กล่าวคือมีการสันนิษฐานว่า op-amp ในอุดมคติมีความต้านทานอินพุตไม่สิ้นสุด ฟิสิกส์ไม่ชอบอินฟินิตี้และในความเป็นจริงมีกระแส จำกัด ไหลเข้าขั้วอินพุต มันอาจจะเป็นชนิดของขนาดใหญ่ (แอมป์ขนาดเล็กไม่กี่) หรือขนาดเล็ก (picoamps ไม่กี่) แต่ก็ไม่ได้ 0. นี้เรียกว่าสหกรณ์แอมป์อินพุตอคติปัจจุบัน

ปัญหาเกิดขึ้นเนื่องจากมีสองขั้วอินพุตและไม่มีอะไรบังคับให้สิ่งเหล่านี้มีกระแสไบอัสอินพุตเหมือนกันทุกประการ ความแตกต่างเรียกว่ากระแสออฟเซ็ตอินพุตและโดยทั่วไปจะค่อนข้างเล็กเมื่อเทียบกับอินพุตไบแอสในปัจจุบัน อย่างไรก็ตามมันจะกลายเป็นปัญหากับการต่อต้านที่มีขนาดใหญ่มากในทางที่น่ารำคาญกว่ากระแสไบอัสอินพุต (อธิบายด้านล่าง)

นี่คือวงจรที่วาดใหม่เพื่อรวมเอฟเฟกต์ทั้งสองนี้ op-amp ที่นี่ถือว่าเป็น "อุดมคติ" (มีพฤติกรรมที่ไม่เหมาะอื่น ๆ ที่ฉันไม่สนใจ) และพฤติกรรมที่ไม่เหมาะเหล่านี้ได้รับการจำลองด้วยแหล่งที่มาในอุดมคติ

^{จำลองวงจรนี้ - แผนผังที่สร้างโดยใช้CircuitLab}

ขอให้สังเกตว่ามีตัวต้านทานเพิ่มเติม R2 ในกรณีของคุณ R2 มีขนาดเล็กมาก (ใกล้จะถึงศูนย์) ดังนั้นความต้านทานเล็กน้อยจะเกิดขึ้นกับ I2 ของกระแสไบแอสเป็นแรงดันไฟฟ้าที่เล็กมากใน R2

อย่างไรก็ตามโปรดสังเกตว่าถ้า R1 และ R3 มีขนาดใหญ่มากกระแสที่ไหลเข้ามาในอินเวอร์เตอร์อินพุทนั้นมีขนาดเล็กมากตามลำดับเช่นเดียวกับ (หรือแย่กว่าเล็กกว่า) I1 สิ่งนี้จะทำให้วงจรของคุณได้รับ (ฉันจะปล่อยให้คณิตศาสตร์มาเป็นแบบฝึกหัดให้กับผู้อ่าน: D)

ทั้งหมดไม่ได้หายไปเพียงเพราะมีกระแสอคติมาก! ดูว่าเกิดอะไรขึ้นถ้าคุณทำ R2 ให้เท่ากับ R1 || R3 (การรวมกันแบบขนาน): ถ้า I1 และ I2 อยู่ใกล้กันมาก (กระแสออฟเซ็ตอินพุตต่ำ) คุณสามารถลบล้างผลของกระแสไบอัสอินพุตได้! อย่างไรก็ตามสิ่งนี้ไม่ได้แก้ปัญหาด้วยกระแสออฟเซ็ตอินพุตและมีปัญหามากขึ้นเกี่ยวกับวิธีจัดการดริฟท์

ไม่มีวิธีที่ดีในการแก้ไขอินพุตออฟเซ็ตปัจจุบัน คุณสามารถวัดชิ้นส่วนแต่ละชิ้นได้ แต่ชิ้นส่วนลอยไปตามกาลเวลา คุณน่าจะดีกว่าถ้าใช้ส่วนที่ดีกว่าในการเริ่มต้นและ / หรือตัวต้านทานขนาดเล็ก

โดยสรุป: เลือกค่าในช่วง mid-ish สิ่งนี้หมายความว่าค่อนข้างคลุมเครือคุณจะต้องเริ่มเลือกชิ้นส่วนดูที่เอกสารข้อมูลและตัดสินใจว่าอะไรคือ "ดีพอ" สำหรับคุณ 10 kohms อาจเป็นจุดเริ่มต้นที่ดี แต่นี่ไม่ได้เป็นสากล และอาจจะไม่คุ้มค่าที่จะเลือก 1 ตามปกติ มากกว่าจะมีช่วงของค่าที่จะให้ผลลัพธ์ที่ยอมรับได้ จากนั้นคุณจะต้องตัดสินใจว่าจะใช้ค่าใดตามพารามิเตอร์อื่น ๆ (ตัวอย่างเช่นหากคุณใช้ค่าอื่นอยู่แล้วนั่นอาจเป็นตัวเลือกที่ดีเพื่อให้คุณสามารถสั่งซื้อจำนวนมากและทำให้ถูกกว่า)

ในวงจร op-amp เฉพาะของคุณแรงดันไฟฟ้าที่จุดแยกของ Rf และ Rin นั้นเหมือนกับแรงดันไฟฟ้าของอินพุตที่ไม่กลับหัว สิ่งนี้จะต้องเป็นเช่นนั้น - มันเรียกว่าโลกเสมือนจริง เนื่องจากข้อเท็จจริงนี้หมายความว่าสัญญาณของคุณ (Vin) เห็นความต้านทานอินพุตของ Rin อย่างแน่นอน นอกจากนี้ยังหมายความว่าเอาต์พุตของคุณ (โดยไม่ต้องเชื่อมต่อกับสิ่งอื่น) จะต้องขับโหลดเอาต์พุตนั่นคือ Rf

ข้อเท็จจริงสองข้อนี้มักบอกว่า Rf และ Rin นั้นไม่เล็กมากนั่นคือ 50 โอห์มหรือสูงกว่า

op-amp มีสิ่งอื่น ๆ เกี่ยวกับมันซึ่งหมายความว่าคุณต้องหลีกเลี่ยงค่าตัวต้านทานระดับสูง เหล่านี้คือ: -

• กาฝากประจุจากเอาท์พุทเพื่อกลับหัวอินพุต (มีผลบังคับใช้ในแบบคู่ขนานกับ Rf) หาก Rf มีขนาดใหญ่เกินไปการตอบสนองความถี่ของวงจรจะถูก จำกัด ที่ระดับสูงสุดของสเปกตรัม
• ความจุอินพุตอาจทำให้เกิดความไม่แน่นอนได้หากรินมีขนาดใหญ่เกินไป
• เสียงตัวต้านทานที่มีอุณหภูมิ - นี่เป็นปรากฏการณ์และวิธีการที่รู้จักกันดีสำหรับความต้องการวงจรเสียงรบกวนต่ำ Rf และ Rin ไม่ควรมีขนาดใหญ่เกินไป
• กระแสรั่วไหลเข้าและออกจากอินพุตทำให้เกิดข้อผิดพลาด DC ถ้าตัวต้านทานมีขนาดใหญ่เกินไป

ฉันคิดว่าเพียงพอแล้วสำหรับตอนนี้!

• หนึ่งในความแตกต่างที่สำคัญคืออิมพีแดนซ์อินพุตที่ V (IN) มองเห็นซึ่งเท่ากับ R (IN)
• ข้อแตกต่างที่สำคัญอีกประการหนึ่งคือเมื่อมีตัวต้านทานความต้านทานสูงคุณจะสามารถรับเสียงได้ง่ายขึ้นและกระแสไบแอมของอินพุตของ OPAMP จะมีผลกระทบมากขึ้นในการชดเชยแรงดันไฟฟ้าขาออก
• ยังจำได้ว่าเอาท์พุทจะต้องสามารถขับต้านทาน R (F)

ก่อนอื่นไดอะแกรมของคุณเป็นแอมพลิฟายเออร์ที่กลับด้านไม่ใช่ไม่ใช่การสลับกลับในส่วนหัวของคำถามของคุณ

มีตัวต้านทานทั่วไปบางตัวที่ให้อัตราส่วนที่ดีสำหรับการรับและการดีขึ้นตัวต้านทานความแม่นยำทั่วไปที่มีค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิต่ำและอัตราส่วนความต้านทานที่ดี ฉันชอบที่จะใช้ชิ้นส่วนที่มีความแม่นยำหากเป็นไปได้ (เหมือนกันจริงสำหรับแคปใน op-amps เช่นสำหรับผู้รวม - ความแม่นยำสไตรีนและอุณหภูมิคงที่) เช่น 10K / 1K หรือ 33K / 3.3K เกิน 100K / 10K ความต้านทานจะสูงพอที่ความจุขนาดเล็กในวงจรจะเริ่มเปลี่ยนวงจรของคุณให้กลายเป็นผู้รวมหรือผู้สร้างความแตกต่าง (หรือฟิลเตอร์กรองความถี่ต่ำ)

ค่า Rin ต่ำมากจะโหลดอินพุตและค่า Rf สูงเพิ่มความต้านทานเอาต์พุต ปัญหาเหล่านี้สามารถเอาชนะได้ง่าย แพคเกจ op-amp ส่วนใหญ่มีมากกว่าหนึ่ง OA ใช้หนึ่งเป็นผู้ติดตามแรงดันไฟฟ้าและเป็นอินพุตไปยัง OA ของคุณที่ได้รับ วงจรรวมของคุณแสดงอิมพีแดนซ์อินพุตที่สูงมากและ OA ของคุณด้วยเกนจะเห็นอิมพิแดนซ์ต่ำมากในอินพุตและคุณสามารถใช้ค่าต่ำหรือรินได้ คุณยังสามารถใช้ผู้ติดตาม OA บนเอาต์พุตเพื่อให้มีไดรฟ์กระแสสูงและเอาต์พุตอิมพีแดนซ์ต่ำ คุณสามารถกำหนดค่าเอาต์พุตให้ตรงกับความต้านทานของวงจรถัดไปหรือสายเคเบิลโคแอกเซียลได้อย่างง่ายดาย ฯลฯ ฉันชอบใช้ตัวต้านทานเทมป์โคฟต่ำที่มีความแม่นยำสูงหรือหม้อเทมป์โค่ต่ำ (หรือหม้อดิจิตอล) สำหรับ Rf

ฉันใช้ 1M / 1K เพื่อรับ 1,000 (2 ในแถวให้ 1 ล้าน) กับ low-pass สำหรับ seismology แต่นี่เป็นแบนด์วิดธ์ Hz ไม่กี่และทำงานได้แม้กับ uA741 ที่ต่ำมาก LM308 ต้องการการตัดที่น้อยกว่ามาก ดีโอเอสมัยใหม่ดีมากโดยเปรียบเทียบ หากคุณเข้าสู่พื้นที่ 10M ถึง 100M สำหรับ Rf แบนด์วิดท์ของคุณจะลดลงและเสียงจะดังขึ้น

การอ้างว่า "ตัวต้านทานที่มีมูลค่าสูงกว่านั้นไม่แม่นยำดังนั้นมันจะไม่ทำให้คุณได้กำไรที่แน่นอน" โดยปกติแล้วจะไม่เป็นความจริงในตัวเอง (แต่เป็นจริงโดยพร็อกซีด้วยเหตุผลอื่น ๆ

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

หมายเหตุประการแรกความอดทนต่ออัตราส่วนนั้นสูงกว่าความอดทนต่อตัวต้านทานแต่ละตัว นี่เป็นสิ่งที่ดีที่คุณควรคำนึงถึงหากคุณต้องการผลตอบแทนที่แน่นอน อย่างไรก็ตามความทนทานต่อการรับจะไม่เพิ่มขึ้นตามค่าความต้านทานเล็กน้อยหากอัตราส่วนนั้นคงที่

---

อย่างไรก็ตามตัวต้านทานที่มีขนาดใหญ่มากจะลดความแม่นยำเนื่องจากเหตุผลอื่น สองที่ได้รับการกล่าวถึงในคำตอบอื่น ๆ คือ (i) ผลกระทบของอคติและกระแสชดเชย; (ii) เสียงของจอห์นสัน

อีกเหตุผลที่ไม่ได้กล่าวถึงคือตัวต้านทานขนาดใหญ่มากเริ่มเทียบได้กับความต้านทานของสภาพแวดล้อม (เช่น PCB) โดยเฉพาะอย่างยิ่งในที่ที่มีความชื้นและ / หรือความเค็ม นี้ไม่ทำให้พวกเขาไม่แน่ชัดเพราะพวกเขาจะมองเห็นได้ในขณะนี้โดยวงจรควบคู่ไปกับสิ่งที่อยู่รอบพวกเขา

บรรทัดล่างคือพยายามหลีกเลี่ยงความต้านทานขนาดใหญ่กว่า 1MOhm ถ้าเป็นไปได้และมันพยายามที่จะหลีกเลี่ยงอะไรมากกว่า 10MOhm อีกด้านหนึ่งของสเปกตรัมมักจะมีค่าประมาณ 1k