Методология проектирования неинвертирующего суммирующего операционного усилителя

Я пытаюсь разработать схему операционного усилителя для суммирования четырех напряжений с использованием неинвертирующей конфигурации суммирования. Вы можете увидеть это на схеме ниже, хотя для иллюстрации номиналы резисторов составляют всего 100 Ом. У меня возникли некоторые проблемы с принятием решения о том, какие значения использовать.

схематический

смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab

Для начала я проанализировал приведенную ниже схему, чтобы определить, как это влияет на усиление. Предполагая идеальный операционный усилитель, напряжения на инвертирующем и неинвертирующем выводах совпадают. Начиная с этого места, весь ток с четырех входов проходит через р 7 уходить на землю, поэтому напряжение на неинвертирующем выводе (назовем его В п ) можно записать следующим образом:

В А − В п р 1 + В Б − В п р 2 + В С − В п р 3 + В Д − В п р 4 "=" В п р 7

Предполагая, что все резисторы равны, резисторы компенсируют друг друга, и это упрощается до

В п "=" В А + В Б + В С + В Д 5

инвертирующий терминал В Н следует основной формуле для неинвертирующей суммы, при этом выигрыш определяется р 6 , резистор обратной связи и р 5 :

В ВНЕ "=" ( 1 + р 6 р 5 ) ⋅ В Н

В целом, выходное напряжение может быть записано как сумма входных напряжений. В зависимости от вашего выбора для р 5 и р 6 , усиление единства кажется достижимым.

В ВНЕ "=" ( 1 + р 6 р 5 ) ⋅ В А + В Б + В С + В Д 5

При всем этом вы можете определить чистый коэффициент усиления по значениям резисторов, но с чего начать определение того, какие значения подходят для использования в операционном усилителе? В этой топологии, как несколько входов влияют на пропускную способность, и как вы выбираете значения резисторов, которые максимизируют пропускную способность? Будет ли по-прежнему зависеть полоса пропускания от чистого усиления, как показано в последнем уравнении, или она зависит только от коэффициента усиления из р 5 и р 6 ? Я пытался следовать этому руководству , которое помогает проектировать схемы суммирования, но используемая методология, похоже, указывает на то, что р 7 не должен быть включен, поэтому я не уверен.

Ответы (2)

Предполагая, что все напряжения имеют равные веса, у вас есть R1 = R2 = R3 = R4. В R7 нет необходимости, если только вам не нужно уменьшить напряжение на неинвертирующем входе, так что оставьте его пока.

Когда все напряжения равны (скажем) 1В, напряжение на неинвертирующем входе будет 1В. Чтобы сделать его суммирующим усилителем, вам нужно напряжение 4 В, поэтому отношение R6/R5 должно быть равно 3. Если вы включите R7, вам просто нужно будет увеличить коэффициент усиления, что уменьшит полосу пропускания и увеличит шум и ошибки постоянного тока. , так что оставьте это прямо.

Теперь у вас есть два набора соотношений, но по-прежнему две степени свободы. Вы можете выбрать какое-нибудь разумное и легко доступное значение прецизионного резистора, например, 10K для R1..R4. Теперь импеданс неинвертирующего входа составляет 2,5 кОм. Вы можете выбрать R5||R6 = 2,5 кОм (и R6/R5 = 3), чтобы выровнять видимые импедансы, или для некоторых операционных усилителей это не особенно важно, потому что ток смещения очень мал, и вы можете выбрать R1..R4 намного выше. Например, чтобы минимизировать нагрузку.

Для данного операционного усилителя полоса пропускания (и, возможно, запас по фазе) будет улучшена за счет уменьшения номиналов резисторов. Слишком низкое, и мощность тратится впустую, или операционный усилитель может быть не в состоянии управлять низким сопротивлением, или входная нагрузка слишком велика на то, что его возбуждает. Итак, это компромисс. Если вы имеете дело с МГц, значения резистора обычно будут намного ниже, чем если вы имеете дело с DC-аудио.

PS У вас есть две переменные и два уравнения для R6 и R5, а в приведенном выше примере R6 = 10K и R5 = 3,333K. Вы можете использовать три резистора 10K параллельно, чтобы сделать R5 для прецизионной схемы.

Спасибо за ответ. Мои сигналы малы (синусоида 0,1 В), но я пытаюсь добиться полосы пропускания, близкой к 100 МГц. Без R7 нет ли риска перекрестных помех между сигналами? Они используются в других местах, поэтому я хочу максимально снизить риск перекрестных помех. Проблема, по-видимому, возникает из-за наличия 4 входов, что приводит к высокому коэффициенту усиления с обратной связью. Если бы я просто суммировал 2 входа, это обеспечило бы большую гибкость и помогло бы предотвратить перекрестные помехи?
Или, что, если используется усилитель обратной связи по току? Таким образом, полоса пропускания остается постоянной независимо от усиления, даже если входные резисторы и, возможно, резистор R7 имеют высокий уровень.

Недостатком неинвертирующего сумматора является возможность перекрестных помех между входами: например, если сигнал А подавался от источника с импедансом 10 Ом (R1/10), а сигнал А использовался где-то еще, напряжение в точке суммирования было бы добавлено. до A, ослабленный всего примерно на 20 дБ и отчетливо слышимый для всех, кто слушает (или записывает) только канал A.

Если это важно для вас, то вы можете оставить R7 низким (например, R1/10, ослабляя суммарное напряжение еще на 20 дБ) и жить с низкой амплитудой в точке суммирования, компенсируя это повышенным коэффициентом усиления (R6/R5 + 1). ). Недостатком этого является более низкая шумовая характеристика в качестве компромисса для несколько улучшенных перекрестных помех между входами.

Тем не менее, основным преимуществом инвертирующего лета является виртуальная земля, которая полностью исключает проблему перекрестных помех (хотя по-прежнему необходима тщательная компоновка, чтобы поддерживать перекрестные помехи ниже -80 дБ).

Таким образом, лучший выбор зависит от ситуационной информации, которая есть только у вас.

Спасибо за ответ. Низкое значение R7 приведет к снижению производительности. Затухание напряжения в суммирующем узле можно представить как р 7 ( 4 р 7 ) + р я где Ri — входные сопротивления (все одинаковые). В качестве альтернативы, будут ли также работать согласующие резисторы на 50 Ом в точках A, B, C и D для заземления? Я этого не показывал, но мои сигналы поступают по коаксиальным кабелям, поэтому я планирую поставить на входе согласующие резисторы на 50 Ом, но здесь они не влияют на уравнения.
Согласующие резисторы на входах не устранят перекрестные помехи (они могут немного уменьшить их, так как они параллельны импедансу источника). Я до сих пор не знаю, важны ли для вас перекрестные помехи; просто указал на это на тот случай, если вы не учли, что это может стать важным позже. Лично я бы использовал виртуальную землю летом, а потом снова инвертировал.
Хорошо спасибо. Это довольно загадка. Сигналы, которые я суммирую, представляют собой сигналы низкого напряжения (100 мВ). Я не могу сказать, важны ли перекрестные помехи; Я сам не слишком уверен. Следуя вашему примеру, вы получили 20 дБ из 20 * log (R1/10). Это затухание ухудшится при увеличении R1 ~ R4, но для перекрестных помех вы используете только R1? Мой источник 50 Ом, поэтому, если R1 равен 10 кОм, затухание будет 46 дБ? Я немного потерялся в том, как это решить.
Используются ли источники для чего-то еще, или их единственное предназначение — питаться летом? Если это их единственная цель, перекрестные помехи не имеют значения. (Я имел в виду только R1 как репрезентативное: 50/R1 представляет перекрестные помехи -46 дБ на канале 1; 50/R2 для канала 2 и т. д.)
Да. Напряжения - это сигнальные напряжения, которые подаются в лето; они также подпитываются и в другие лета (для достижения сумм, таких как A + B и т. д.). Вот и все. Что, если я просто просуммирую 2 входа вместо 4? Я могу поддерживать R7 низким по сравнению с входом Rs, и усиление обратной связи не должно быть таким высоким, чтобы компенсировать это. Я также могу уменьшить вероятность распространения перекрестных помех по другим входам.
На самом деле, если можно, что, если я использовал топологию операционного усилителя с обратной связью по току для схемы? Таким образом, полоса пропускания будет оставаться высокой и соответствовать достаточно низкому резистору обратной связи, который не должен зависеть от усиления. Кроме того, небольшой конденсатор в суммирующем узле может помочь отфильтровать шум в качестве фильтра нижних частот с резистором R7.
Методология проектирования неинвертирующего суммирующего операционного усилителя
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v