Entwurfsmethodik für nicht invertierenden Summier-Operationsverstärker

Ich versuche, eine Operationsverstärkerschaltung zu entwerfen, um vier Spannungen zu summieren, indem ich eine nicht invertierende Summierungskonfiguration verwende. Sie können es in der Schaltung unten sehen, obwohl die Widerstandswerte zur Veranschaulichung nur 100 Ω betragen. Ich habe einige Probleme mit der Entscheidung, welche Werte verwendet werden sollen.

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Zu Beginn habe ich die folgende Schaltung analysiert, um festzustellen, wie die Verstärkung beeinflusst wird. Unter der Annahme eines idealen Operationsverstärkers stimmen die Spannungen an den invertierenden und nichtinvertierenden Anschlüssen überein. Ab dort gehen alle Ströme von den vier Eingängen durch R 7 auf Masse gehen, also die Spannung am nicht invertierenden Anschluss (nennen wir das v P ) kann wie folgt geschrieben werden:

v A − v P R 1 + v B − v P R 2 + v C − v P R 3 + v D − v P R 4 = v P R 7

Unter der Annahme, dass alle Widerstände gleich sind, heben sich die Widerstände gegenseitig auf, und das vereinfacht sich

v P = v A + v B + v C + v D 5

Das invertierende Terminal v N folgt der Grundformel für eine nicht invertierende Summe, wobei die Verstärkung durch bestimmt wird R 6 , der Rückkopplungswiderstand und R 5 :

v AUS = ( 1 + R 6 R 5 ) ⋅ v N

Insgesamt kann die Ausgangsspannung als Summe der Eingangsspannungen geschrieben werden. Abhängig von Ihrer Wahl für R 5 Und R 6 , Einheitsgewinn scheint erreichbar zu sein.

v AUS = ( 1 + R 6 R 5 ) ⋅ v A + v B + v C + v D 5

Mit all dem können Sie die Nettoverstärkung aus den Widerstandswerten bestimmen, aber wie soll ich beginnen, um zu bestimmen, welche Werte für den Operationsverstärker geeignet sind? Wie wirken sich in dieser Topologie mehrere Eingänge auf die Bandbreite aus und wie wählen Sie Widerstandswerte aus, die die Bandbreite maximieren? Würde die Bandbreite immer noch von der Nettoverstärkung beeinflusst, wie in der letzten Gleichung gezeigt, oder hängt sie nur vom Verstärkungsterm ab R 5 Und R 6 ? Ich habe versucht, diesem Leitfaden zu folgen , der beim Entwerfen von Summierschaltungen hilft, aber die verwendete Methodik scheint darauf hinzudeuten R 7 sollte nicht enthalten sein, also bin ich mir nicht sicher.

Antworten (2)

Unter der Annahme, dass alle Spannungen gleich gewichtet sind, haben Sie R1 = R2 = R3 = R4. R7 ist nicht erforderlich, es sei denn, Sie müssen die Spannung am nicht invertierenden Eingang reduzieren, also lassen Sie es vorerst weg.

Wenn alle Spannungen gleich (z. B.) 1 V sind, beträgt die Spannung am nichtinvertierenden Eingang 1 V. Um daraus einen Summierverstärker zu machen, benötigen Sie eine Spannung von 4 V, also muss das Verhältnis von R6/R5 3 sein. Wenn Sie R7 einbeziehen, müssen Sie nur die Verstärkung erhöhen, was die Bandbreite verringern und das Rauschen und die DC-Fehler erhöhen würde , also lass es gleich weg.

Jetzt haben Sie zwei Sätze von Verhältnissen, aber es gibt immer noch zwei Freiheitsgrade. Sie können einen vernünftigen und leicht verfügbaren Präzisionswiderstandswert wie 10K für R1..R4 auswählen. Jetzt beträgt die vom nicht invertierenden Eingang gesehene Impedanz 2,5 K. Sie können R5 | | R6 = 2,5 K (und R6 / R5 = 3) auswählen, um die gesehenen Impedanzen auszugleichen, oder für einige Operationsverstärker ist dies nicht besonders wichtig, da der Vorspannungsstrom so niedrig ist und Sie R1..R4 möglicherweise viel höher auswählen um zum Beispiel die Belastung zu minimieren.

Für einen bestimmten Operationsverstärker wird die Bandbreite (und möglicherweise der Phasenabstand) durch Reduzieren der Widerstandswerte verbessert. Zu niedrig und Strom wird verschwendet oder der Operationsverstärker kann den niedrigen Widerstand möglicherweise nicht ansteuern, oder die Eingangslast ist zu hoch für das, was ihn antreibt. Es ist also ein Kompromiss. Wenn Sie mit MHz zu tun haben, sind die Widerstandswerte normalerweise viel niedriger als bei DC-Audio.

PS Sie haben zwei Variablen und zwei Gleichungen für R6 & R5 und im obigen Beispiel R6 = 10K und R5 = 3,333K. Sie könnten drei 10K-Widerstände parallel verwenden, um R5 für eine Präzisionsschaltung herzustellen.

Danke für Ihre Antwort. Meine Signale sind klein (0,1 V Sinuswelle), aber ich versuche, eine Bandbreite von fast 100 MHz zu erreichen. Besteht ohne R7 nicht die Gefahr des Übersprechens zwischen Signalen? Sie werden anderweitig verwendet, daher möchte ich das Risiko des Übersprechens so gut wie möglich reduzieren. Das Problem scheint mit dem Kompromiss von 4 Eingängen aufzutreten, was dazu führt, dass die Verstärkung im geschlossenen Regelkreis hoch ist. Wenn ich nur 2 Eingänge summieren würde, würde das mehr Flexibilität ermöglichen und dazu beitragen, Übersprechen zu verhindern?
Oder was ist, wenn ein Stromgegenkopplungsverstärker verwendet wird? Auf diese Weise bleibt die Bandbreite unabhängig von der Verstärkung konstant, selbst wenn die Eingangswiderstände und möglicherweise R7 hoch sind.

Der Nachteil des nichtinvertierenden Summierers ist die Möglichkeit des Übersprechens zwischen den Eingängen: Wenn beispielsweise Signal A von einer 10-Ohm-Quellenimpedanz (R1 / 10) gespeist wurde und Signal A anderweitig verwendet wurde, würde die Spannung am Summierpunkt addiert zu A, nur um etwa 20 dB gedämpft und deutlich hörbar für alles, was nur Kanal A hört (oder aufnimmt).

Wenn Ihnen das wichtig ist, können Sie R7 niedrig halten (z. B. R1/10, um die summierte Spannung um weitere 20 dB abzuschwächen) und mit einer niedrigen Amplitude am Summationspunkt leben, was durch eine erhöhte Verstärkung ausgeglichen wird (R6/R5 + 1 ). Dies hat den Nachteil einer schlechteren Rauschleistung als Kompromiss für etwas verbessertes Übersprechen zwischen Eingängen.

Der Hauptvorteil des invertierenden Sommers ist jedoch die virtuelle Erde, die das Problem des Übersprechens vollständig vermeidet (obwohl immer noch ein sorgfältiges Layout erforderlich ist, um das Übersprechen unter -80 dB zu halten).

Die beste Wahl hängt also von Situationsinformationen ab, die nur Sie haben.

Danke für Ihre Antwort. R7 niedrig zu halten, würde zu einer schlechten Leistung führen. Die Spannungsdämpfung am Summierknoten ist ersichtlich als R 7 ( 4 R 7 ) + R ich wobei Ri die Eingangswiderstände sind (alle gleich). Würden alternativ auch 50-Ohm-Abschlusswiderstände an A, B, C und D gegen Masse funktionieren? Ich habe es nicht gezeigt, aber meine Signale kommen von Koaxialkabeln, also plane ich 50-Ohm-Abschlusswiderstände am Eingang, aber sie beeinflussen die Gleichungen hier nicht.
Abschlusswiderstände an den Eingängen beseitigen das Übersprechen nicht (sie können es ein wenig reduzieren, da sie parallel zur Quellenimpedanz liegen). Ich weiß immer noch nicht, ob das Übersprechen für Sie wichtig ist; nur darauf hingewiesen, falls es etwas war, das Sie nicht bedacht hatten und das später wichtig werden könnte. Ich persönlich würde einen virtuellen Erdsommer verwenden und danach wieder invertieren.
OK danke. Es ist ein ziemliches Rätsel. Die Signale, die ich summiere, sind Kleinspannungssignale (100 mV). Ich kann nicht sagen, ob Übersprechen wichtig ist oder nicht; Ich bin mir selbst nicht so sicher. Nach Ihrem Beispiel haben Sie 20 dB von 20 * log (R1 / 10) erhalten. Diese Dämpfung würde sich mit zunehmendem R1 ~ R4 verschlimmern, aber für das Übersprechen verwenden Sie nur R1? Meine Quelle hat 50 Ohm. Wenn R1 also 10 k ist, wäre die Dämpfung 46 dB? Ich bin ein bisschen verloren, wie ich das lösen soll.
Werden die Quellen anderweitig genutzt oder sollen sie nur in den Sommer eingespeist werden? Wenn dies ihr einziger Zweck ist, spielt das Übersprechen keine Rolle. (Ich meinte nur R1 als repräsentativ: 50/R1 repräsentiert -46 dB Übersprechen auf Kanal 1; 50/R2 für Kanal 2 usw.)
Ja. Die Spannungen sind Signalspannungen, die in den Summierer eingespeist werden; sie werden auch in andere Sommer eingespeist (um Summen wie A+B usw. zu erzielen). Das ist alles. Was wäre, wenn ich nur 2 Eingänge statt 4 summieren würde? Ich kann R7 im Vergleich zum Eingang Rs niedrig halten, und die Verstärkung des geschlossenen Regelkreises muss nicht so hoch sein, um dies zu kompensieren. Ich kann auch die Wahrscheinlichkeit verringern, dass sich Nebensprechen über andere Eingänge ausbreitet.
Wenn ich darf, was wäre eigentlich, wenn ich eine Stromrückkopplungs-Opamp-Topologie für die Schaltung verwenden würde? Auf diese Weise bleibt die Bandbreite hoch und konsistent mit einem ausreichend niedrigen Rückkopplungswiderstand, der nicht von der Verstärkung abhängen muss. Außerdem kann ein kleiner Kondensator am Summierknoten helfen, Rauschen als Tiefpassfilter mit R7 herauszufiltern.
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