Memilih nilai resistor untuk penguat pembalik dan mengapa?

Keuntungan di sini adalah A = -R _f / Rin. Namun, katakanlah saya ingin mendapatkan 10 V / V. Nilai resistor mana yang akan Anda pilih dan mengapa?

Saya tahu bahwa Anda dapat memiliki kombinasi jumlah tak terbatas untuk resistor ini, tetapi mengapa seseorang menggunakan nilai tertentu. yaitu _Rf = 100Mohm, R _in = 10Mohm memberikan gain 10V / V tetapi juga _Rf = 10 ohm dan R _in = 1 ohm memberikan gain 10V / V. Apa bedanya dengan desain?

Pikiranku mengatakan bahwa resistor nilai yang lebih tinggi tidak tepat sehingga tidak akan memberi Anda keuntungan yang tepat dan menggunakan resistor nilai yang lebih rendah menenggelamkan arus yang lebih tinggi dari sumbernya (V _in ). Apakah ada alasan lain? Juga, beri tahu saya jika saya benar atau salah.

Ada kejatuhan dengan memilih resistor yang sangat besar dan resistor yang sangat kecil. Ini biasanya berhubungan dengan perilaku komponen yang tidak ideal (yaitu Op-Amps), atau persyaratan desain lainnya seperti daya dan panas.

Resistor kecil berarti Anda memerlukan arus yang jauh lebih tinggi untuk memberikan penurunan tegangan yang sesuai agar Op-amp dapat berfungsi. Kebanyakan op amp dapat memberikan 10's dari mA (lihat lembar data Op-amp untuk detail yang tepat). Bahkan jika op-amp dapat menyediakan banyak ampli, akan ada banyak panas yang dihasilkan dalam resistor, yang mungkin bermasalah.

Di sisi lain, resistor besar mengalami dua masalah yang berhubungan dengan perilaku yang tidak ideal dari terminal input Op-Amp. Yaitu, asumsi dibuat bahwa op-amp ideal memiliki impedansi input tak terbatas. Fisika tidak suka infinitas, dan pada kenyataannya ada beberapa arus yang terbatas mengalir ke terminal input. Itu bisa agak besar (beberapa mikro amp), atau kecil (beberapa picoamps), tetapi bukan 0. Ini disebut op-amp arus masukan bias .

Masalahnya diperparah karena ada dua terminal input, dan tidak ada yang memaksa ini memiliki arus bias input yang persis sama. Perbedaannya dikenal sebagai input offset saat ini , dan ini biasanya cukup kecil dibandingkan dengan arus bias input. Namun, itu akan menjadi masalah dengan resistansi yang sangat besar dengan cara yang lebih menjengkelkan daripada arus bias input (dijelaskan di bawah).

Berikut sirkuit yang digambar ulang untuk memasukkan dua efek ini. Op-amp di sini dianggap "ideal" (ada perilaku non-ideal lainnya yang saya abaikan di sini), dan perilaku tidak ideal ini telah dimodelkan dengan sumber-sumber yang ideal.

^{mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab}

Perhatikan bahwa ada resistor R2 tambahan. Dalam kasus Anda, R2 sangat kecil (mendekati nol), jadi resistansi kecil kali I2 arus bias kecil adalah tegangan yang sangat kecil di R2.

Namun, perhatikan bahwa jika R1 dan R3 sangat besar, arus yang mengalir ke input pembalik sangat kecil, dengan urutan yang sama (atau lebih buruk, lebih kecil dari) I1. Ini akan membuang keuntungan dari rangkaian Anda akan memberikan (saya akan meninggalkan derivasi matematika sebagai latihan untuk pembaca: D)

Semua tidak hilang hanya karena ada arus bias yang besar sekalipun! Lihat apa yang terjadi jika Anda membuat R2 sama dengan R1 || R3 (kombinasi paralel): jika I1 dan I2 sangat dekat satu sama lain (arus offset masukan rendah), Anda dapat menghilangkan efek arus bias masukan! Namun, ini tidak menyelesaikan masalah dengan input offset saat ini, dan bahkan ada lebih banyak masalah dengan cara menangani drift.

Sebenarnya tidak ada cara yang baik untuk menangkal input offset saat ini. Anda dapat mengukur bagian-bagian individual, tetapi bagian-bagian melayang dengan waktu. Anda mungkin lebih baik menggunakan bagian yang lebih baik untuk memulai, dan / atau resistor yang lebih kecil.

Singkatnya: pilih nilai dalam rentang menengah. Apa artinya ini agak kabur, Anda harus benar-benar mulai memilih bagian, melihat lembar data, dan memutuskan apa yang "cukup baik" untuk Anda. 10 dari kohm mungkin merupakan tempat awal yang baik, tetapi ini tidak berarti universal. Dan mungkin tidak akan ada 1 nilai ideal untuk memilih biasanya. Kemungkinan besar akan ada rentang nilai yang semuanya akan memberikan hasil yang dapat diterima. Maka Anda harus memutuskan nilai mana yang akan digunakan berdasarkan dari parameter lain (misalnya, jika Anda sudah menggunakan nilai lain, itu mungkin merupakan pilihan yang baik sehingga Anda dapat memesan secara massal dan membuatnya lebih murah).

Pada rangkaian op-amp spesifik Anda, tegangan pada persimpangan Rf dan Rin sama dengan tegangan pada input non-pembalik. Ini harus begitu - ini disebut bumi virtual. Mengingat fakta itu, ini berarti bahwa sinyal Anda (Vin) melihat impedansi input dari Rin. Ini juga berarti bahwa output Anda (tanpa terhubung ke apa pun) harus mengarahkan beban keluaran yang Rf.

Dua fakta ini biasanya menentukan bahwa Rf dan Rin tidak terlalu kecil yaitu 50 ohm atau lebih.

Op-amp memiliki hal-hal lain tentang itu yang berarti Anda harus menghindari nilai-nilai resistor high-end. Ini adalah: -

• Kapasitansi parasit dari output ke input pembalik (berlaku paralel dengan Rf). Jika Rf terlalu besar, respons frekuensi rangkaian dibatasi pada ujung spektrum yang tinggi.
• Kapasitansi input dapat menyebabkan beberapa ketidakstabilan jika Rin terlalu besar
• Resistor kebisingan dengan suhu - ini adalah fenomena dan sarana yang terkenal, untuk persyaratan rangkaian kebisingan rendah, Rf dan Rin tidak boleh terlalu besar.
• Arus bocor masuk dan keluar dari input menyebabkan kesalahan DC jika resistor terlalu besar.

Saya pikir itu sudah cukup untuk saat ini!

• Salah satu perbedaan penting adalah impedansi input yang V (IN) lihat, yang sama dengan R (IN).
• Perbedaan penting lainnya adalah bahwa dengan resistor impedansi tinggi, Anda lebih mudah menangkap noise dan arus bias input OPAMP akan memiliki efek yang lebih besar pada offset tegangan output.
• Juga ingat bahwa output harus dapat menggerakkan resistor R (F).

Pertama, diagram Anda adalah penguat pembalik, bukan non-pembalik seperti dalam tajuk untuk pertanyaan Anda.

Ada beberapa resistor umum yang membuat rasio yang baik untuk mendapatkan dan lebih baik lagi, resistor presisi umum dengan koefisien suhu rendah dan rasio resistensi yang bagus. Saya suka menggunakan bagian presisi jika memungkinkan. (Hal yang sama berlaku untuk tutup di op-amp seperti untuk integrator - presisi polystyrene dan suhu stabil). Seperti 10K / 1K atau 33K / 3.3K. Melampaui 100K / 10K Resistansi menjadi cukup tinggi sehingga kapasitansi kecil di sirkuit mulai mengubah sirkuit Anda menjadi integrator atau pembeda (atau low pass filter).

Nilai Rin yang sangat rendah memuat input dan nilai Rf yang tinggi meningkatkan impedansi keluaran. Masalah-masalah ini mudah diatasi. Sebagian besar paket op-amp memiliki lebih dari satu OA. Gunakan satu sebagai pengikut tegangan dan sebagai input untuk OA Anda yang memiliki gain. Total sirkuit Anda menghadirkan impedansi input yang sangat tinggi dan OA Anda dengan gain melihat impedansi yang sangat rendah pada inputnya dan Anda dapat menggunakan nilai rendah atau Rin. Anda juga dapat menggunakan pengikut OA pada output untuk memiliki arus drive tinggi dan output impedansi rendah. Anda bahkan dapat dengan mudah mengkonfigurasi output untuk mencocokkan impedansi dari rangkaian berikutnya atau kabel koaksial, dll. Saya ingin menggunakan resistor tempco rendah presisi tinggi atau pot tempco rendah (atau pot digital) untuk Rf dan memotong untuk mendapatkan.

Saya telah menggunakan 1M / 1K untuk mendapatkan 1000 (2 berturut-turut memberi 1 juta) dengan low-pass untuk seismologi, tetapi ini adalah beberapa bandwidth Hz dan bekerja bahkan dengan uA741 yang rendah. LM308 membutuhkan trim lebih sedikit. Baik OA modern bagus jika dibandingkan. Jika Anda masuk ke area 10M ke 100M untuk Rf, bandwidth Anda akan turun dan kebisingan akan naik.

Klaim bahwa "lebih tinggi resistor nilai tidak tepat sehingga tidak akan memberikan keuntungan yang tepat" biasanya tidak sepenuhnya benar sendiri (tapi benar oleh proxy untuk alasan lain, seperti yang saya akan bahas di bawah).

Biasanya, dalam sirkuit yang dirancang dengan baik, keuntungan akan tergantung pada rasio resistensi, dan bukan pada nilai individual. Sebuah resistor dengan resistansi nominal R dan toleransi x dapat mengambil nilai antara:

$$R_\text{nominal}(1 - x) \leq R_{\text{actual}} \leq R_\text{nominal}(1 + x)$$ Sekarang jika kita memiliki dua resistor yang muncul sebagai rasio satu sama lain, nilai minimum dan maksimum dari rasio ini diberikan oleh: $$\frac{R_{1,\text{nominal}}(1-x)}{R_{2,\text{nominal}}(1+x)} \leq \left(\frac{R_1}{R_2}\right)_\text{actual} \leq \frac{R_{1,\text{nominal}}(1+x)}{R_{2,\text{nominal}}(1-x)}$$

Perhatikan, pertama, bahwa toleransi pada rasio lebih tinggi daripada toleransi pada masing-masing resistor. Ini bagus untuk diingat jika Anda menginginkan perolehan yang tepat. Namun, toleransi gain tidak meningkat dengan nilai resistansi nominal, asalkan rasionya konstan.

---

Namun, resistor yang sangat besar mengurangi presisi karena alasan lain. Dua yang telah disebutkan dalam jawaban lain adalah (i) pengaruh bias dan arus offset; (ii) Suara Johnson.

Alasan lain yang belum disebutkan adalah bahwa resistor yang sangat besar mulai menjadi sebanding dengan ketahanan lingkungan (misalnya PCB), terutama di hadapan kelembaban dan / atau salinitas. Ini tidak membuat mereka tidak tepat, karena mereka sekarang dilihat oleh sirkuit secara paralel dengan apa pun yang mengelilinginya.

Intinya adalah, cobalah untuk menghindari resistensi yang lebih besar dari 1MOhm jika memungkinkan, dan benar - benar mencoba untuk menghindari sesuatu yang lebih dari 10MOhm. Di ujung lain spektrum, sekitar 1 k biasanya batas bawah.