Was ist der Zweck eines Widerstands im Rückkopplungspfad eines Unity-Gain-Puffers?

Sie werden selten eine Schaltung mit nur einem Widerstand sehen, wie Sie es zeigen; normalerweise gibt es auch am nichtinvertierenden Eingang einen anderen Widerstand (oder äquivalenten Quellenwiderstand) mit demselben Wert.

Die meisten (nicht idealen) Operationsverstärker haben einen endlichen Eingangswiderstand, was bedeutet, dass ein winziger Strom in die Eingangsanschlüsse hinein oder aus ihnen heraus fließt. Dieser Strom wird "Eingangsvorspannungsstrom" genannt und variiert mit der Spannung an den Eingängen. Da die meisten Opamp-Schaltungen eine negative Rückkopplung verwenden, um die beiden Eingänge auf der gleichen Spannung zu halten, bedeutet dies, dass für jede gegebene Spannung der Strom durch beide Eingänge gleich ist.

Der Strom durch jeden Eingang fließt durch jeden Widerstand, der mit diesem Eingang verbunden ist, und dies führt zu einer Spannungsverschiebung am Eingang. Wenn der Widerstand an den beiden Eingängen unterschiedlich ist, ist diese Spannungsverschiebung ebenfalls unterschiedlich, und die Differenz zwischen diesen beiden Verschiebungen erscheint als zusätzlicher Eingangs-Offset-Fehler im Betrieb der Schaltung.

Aus diesem Grund wird in allen Opamp-Schaltungen darauf geachtet, dass die an den beiden Eingängen angeschlossenen Widerstände gleich sind, um diese zusätzliche Fehlerquelle zu eliminieren. Selbst in einem Puffer mit Einheitsverstärkung wird ein 100-Ω-Widerstand im Rückkopplungspfad verwendet, wenn der Quellenwiderstand 100 Ω beträgt.

Hier ist ein Auszug aus dem OP27-Datenblatt , der zeigt, dass die Antwort komplizierter ist als der Ausgleich der von den beiden Eingängen gesehenen Impedanzen:

Und noch ein Beispiel aus dem Datenblatt des AD797:

Ein Grund, warum der Rückkopplungswiderstand verwendet werden kann, besteht darin, die Ausgangsimpedanz von Vin anzupassen. Echte Operationsverstärker haben eine Eingangsstromvorspannung und einen Eingangsstrom-Offset.

Nehmen Sie zum Beispiel diese repräsentative Schaltung:

Hier habe ich ein realistischeres Modell eines Operationsverstärkers erstellt, indem ich Stromquellen hinzugefügt habe, die den Strom simulieren, der in die Anschlüsse eines echten Operationsverstärkers fließt. Die Differenz zwischen den beiden Eingangsströmen ist der Offset-Eingangsstrom.

Die Eingangsspannung am positiven Eingangsanschluss beträgt tatsächlich:

$$\begin{equation} Vin_{actual} = Vin - I_1 \cdot R_1 \end{equation}$$

Durch die ideale Wirkung des Operationsverstärkers ist die negative Eingangsklemmenspannung gleich. Wir können dann die resultierende Ausgangsspannung berechnen:

$$\begin{equation} Vout = Vin_{actual} + I_2 \cdot R_2\\ Vout = Vin - I_1 \cdot R_1 + I_2 \cdot R_2\\ \end{equation}$$

Durch eine enge Anpassung von R1 und R2 wird die Wirkung des Eingangsvorspannungsstroms effektiv auf Null gesetzt. Beachten Sie jedoch, dass dies den Eingangs-Offset-Strom nicht löst. Um beide Probleme zu lösen, stellen Sie sicher, dass der Widerstand von R1 und R2 beide klein sind. Dies löst beide Probleme des Eingangsoffsetstroms und des Eingangsvorspannungsstroms. Bei einem ausreichend kleinen R1 besteht möglicherweise keine Notwendigkeit für ein tatsächlich diskret angepasstes R2, obwohl Sie natürlich bessere Ergebnisse erzielen, wenn eines vorhanden ist.

Ich habe einen anderen Grund gefunden! Bei JFET-Operationsverstärkern ändert sich die Eingangskapazität mit der Spannung, was zu Verzerrungen in der nichtinvertierenden Konfiguration führt (wo sich die Spannung am Eingang mit dem Signal ändert).

Es ist möglich, diese Verzerrung aufzuheben, indem man einen Widerstand gleich der Quellenimpedanz in die Rückkopplungsschleife des Operationsverstärkers einfügt. Dies erzeugt ein identisches Verzerrungssignal am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers. Da die Verzerrung jetzt beiden Eingängen gemeinsam ist, wird sie durch die Gleichtaktunterdrückung des Operationsverstärkers entfernt. Leider führt der Widerstand im Rückkopplungspfad zusätzliches Rauschen ein und kann auch Stabilitätsprobleme verursachen, wenn er sehr groß ist.

TI: Verzerrung und Quellimpedanz in Operationsverstärkern mit JFET-Eingang

Es gibt 2 Arten von Operationsverstärkern: Spannungsrückkopplung und Stromrückkopplung. Wie der Name schon vermuten lässt, bestimmt bei der Stromrückkopplung der Strom, der vom Ausgang zum Eingang durch den „Rückkopplungswiderstand“ Rf geleitet wird, 1) die Bandbreite 2) die Verstärkung, wenn er in einem Stromteiler mit Rg „Erdungswiderstand“ verbunden ist. Wenn in Operationsverstärkern mit Stromrückkopplung ein sehr niedriger Rückkopplungswiderstand vorhanden ist, besagt dieser Anwendungshinweis http://www.ti.com/lit/an/slva051/slva051.pdf , dass der Operationsverstärker schwingt. Die Auswahl eines hohen Werts verringert die Bandbreite.

Tatsächlich gibt es heutzutage so viele verschiedene Arten von Operationsverstärkern, dass das einfache Modell der Eingänge mit unendlicher Impedanz, das Vin+ = Vin- impliziert, in vielen Fällen weit davon entfernt ist. Viele Operationsverstärker haben niedrige Eingangsimpedanzwerte, andere haben eine sehr hohe Impedanz an +In und eine sehr niedrige an -In. VHF-Operationsverstärker sind alle Stromrückkopplungen und sehr heikel zu implementieren, wie der LMH6703

Dieses Feedback hängt vollständig von der OA-Bandbreite mit seiner Einheitsgewinn-internen Kompensation ab. Es gibt keine einheitliche Lösung für alle OA

http://www.ti.com/lit/ds/sbos267d/sbos267d.pdf

G = +1, HF = 25 Ω

Fazit; Jeder OA ist einzigartig. Verwenden Sie die empfohlene Spezifikation oder Trial & Error.

Nachtrag

Wenn nicht angegeben und die Unity-Verstärkung stabil ist, gilt wahrscheinlich Rf=0. Dies geschieht normalerweise bei niedrigen BW-OAs wie < 10 MHz.

Eine Fehlanpassung des Eingangsstroms wäre kein Grund für diesen Widerstand, da die Impedanz der Spannungsquelle für den (+)-Eingang nicht einmal angegeben ist.