Wählen Sie die besseren Werte (in Bezug auf den Bereich) für Widerstände in dieser nichtinvertierenden Operationsverstärkerschaltung

Wie Sie herausgefunden haben, ist die Verstärkung nur eine Funktion des Verhältnisses der beiden Widerstände. Daher sind auf den ersten Blick 2 kΩ / 1 kΩ und 2 MΩ / 1 MΩ gleichwertig. Sie sind im Idealfall in Bezug auf den Gewinn, aber es gibt noch andere Überlegungen.

Die größte offensichtliche Überlegung ist der Strom, den die beiden Widerstände aus dem Ausgang ziehen. Bei 15 V Ausgang stellt die 2kΩ/1kΩ-Kombination eine Last von 3 kΩ dar und zieht (15 V)/(3 kΩ) = 5 mA. Die 2MΩ/1MΩ-Kombination zieht ebenfalls nur 5 µA.

Was spielt das für eine Rolle? Zunächst müssen Sie überlegen, ob der Operationsverstärker zusätzlich zu der gewünschten Last überhaupt 5 mA liefern kann. Vielleicht sind 5 mA kein Problem, aber offensichtlich gibt es irgendwo eine Grenze. Kann es 50 mA liefern? Vielleicht, aber wahrscheinlich nicht. Sie können R1 und R2 nicht einfach weiter verringern, selbst wenn ihr Verhältnis gleich bleibt, und die Schaltung weiterarbeiten lassen.

Selbst wenn der Operationsverstärker den Strom für den von Ihnen ausgewählten R1 + R2-Wert liefern kann, müssen Sie überlegen, ob Sie diesen Strom ausgeben möchten. Dies kann bei einem batteriebetriebenen Gerät ein echtes Problem sein. Ein kontinuierlicher Stromverbrauch von 5 mA kann viel mehr sein, als der Rest der Schaltung benötigt, und der Hauptgrund für die kurze Batterielebensdauer.

Bei hohen Widerständen gibt es auch andere Grenzen. Knoten mit hoher Impedanz sind im Allgemeinen anfälliger für die Aufnahme von Rauschen, und hochohmige Widerstände haben mehr Eigenrauschen.

Kein Operationsverstärker ist perfekt und seine Eingangsimpedanz nicht Null. Die Teiler R1 und R2 bilden eine Spannungsquelle mit der Impedanz R1//R2, die den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers ansteuert. Bei 2MΩ/1MΩ beträgt diese Parallelschaltung 667 kΩ. Dies muss im Vergleich zur Eingangsimpedanz des Operationsverstärkers klein sein, da sonst ein erheblicher Offset-Fehler auftritt. Der Eingangsvorstrom des Operationsverstärkers muss ebenfalls berücksichtigt werden. Wenn beispielsweise der Eingangsvorspannungsstrom 1 µA beträgt, beträgt die Offsetspannung, die durch die 667-kΩ-Quelle verursacht wird, die den Eingang ansteuert, 667 mV. Das ist ein großer Fehler, der wahrscheinlich nicht akzeptabel ist.

Ein weiteres Problem bei hoher Impedanz ist eine geringe Bandbreite. Es wird immer eine gewisse parasitäre Kapazität geben. Nehmen wir zum Beispiel an, dass das mit den beiden Widerständen und dem invertierenden Eingang verbundene Netz eine Kapazität von 10 pF gegen Masse hat. Mit 667 kΩ Ansteuerung haben Sie einen Tiefpassfilter bei nur 24 kHz. Das mag für eine Audioanwendung akzeptabel sein, ist aber in vielen anderen Anwendungen ein ernsthaftes Problem. Möglicherweise erhalten Sie bei hohen Frequenzen viel weniger Verstärkung, als Sie vom Verstärkungsbandbreitenprodukt des Operationsverstärkers und der Rückkopplungsverstärkung erwarten.

Wie bei allem in der Technik ist es ein Kompromiss. Sie haben zwei Freiheitsgrade bei der Wahl der beiden Widerstände. Der gewünschte Gewinn beträgt nur ein Grad. Sie müssen die Stromanforderungen und die Ausgangsimpedanz abwägen, um die zweite zu entscheiden.

Wie oben erwähnt, haben Rückkopplungswiderstände mit niedrigem Wert einen relativ hohen Strom, den der Verstärker treiben muss. In einem invertierenden Verstärker stellt Rin die Eingangsimpedanz ein, daher ist es am besten, keinen zu niedrigen Wert zu haben, da die Signalquelle dies treiben muss.

Am anderen Ende der Skala erzeugen sehr große Widerstände nicht nur Rauschen (thermisches oder Johnson-Rauschen), sondern bilden aufgrund der natürlichen Kapazität* des Bauteils einen Filter in der Rückkopplungsschleife, der im schlimmsten Fall die Schleifenstabilität untergraben kann des Verstärkers. Abgesehen davon, dass sich die Wechselstromantwort Ihrer Schaltung auf interessante und haarsträubende Weise ändert, wird dieser Effekt bei niedrigeren Verstärkungen schlimmer und kann bei Verstärkungen unter 4 (typischerweise abhängig vom jeweiligen Verstärker) ziemlich schmerzhaft sein. Tatsächlich gibt es zahlreiche Verstärker, die speziell für eine minimale Verstärkung ausgelegt sind und unterhalb dieser Verstärkung instabil sind (zu den Vorteilen gehören bessere Transientenspezifikationen).

Als allgemeine Regel beschränke ich die Rückkopplungswiderstände auf nicht mehr als ~ 220 k für invertierende oder nicht invertierende Konfigurationen. Wenn dies keine ausreichende Verstärkung bringt, verwenden Sie eine zusätzliche Verstärkungsstufe.

Es gibt Tricks, die man anwenden kann (ein T-Netzwerk von Widerständen in der Rückkopplungsschleife ist ein bekannter), um die Verstärkung einer einzelnen Stufe zu erhöhen, aber Verstärker sind billig und nehmen vernachlässigbaren Platz ein.

Bei invertierenden Topologien wird die Wahl des Rückkopplungswiderstands hauptsächlich von den Anforderungen der Signalquelle bestimmt, die die (normalerweise minimale) Größe des Eingangswiderstands festlegt.

• Dies wird deutlich, wenn man Kapazität definiert als zwischen zwei beliebigen Punkten unterschiedlichen elektrischen Potentials vorhanden

HTH

Um eine wirklich kurze Antwort zu geben: Etwas im Bereich von mehreren zehn kΩ s wird wahrscheinlich gut sein (mit den meisten OP-Amp-Modellen und für die meisten Anwendungen). Versuchen Sie es mit 40 kΩ für R ₁ und 20 kΩ für R ₂ .

Das ist natürlich nicht unter allen Umständen ideal, sollte aber in der Regel mit einem vernünftigen Kompromiss zwischen Stromverbrauch und Geräuschpegel gut funktionieren. Olin Lanthrop und Peter Smith haben ausführlich erklärt, welche Nachteile man mit zu hohen oder zu niedrigen Widerstandswerten bekommt.