¿Cuál es el propósito de este amplificador operacional?

El amplificador U1 ayuda a que el circuito sea lo más "ideal" posible. En la celda de pH, las impedancias involucradas son muy altas y cualquier variación de la idealidad se refleja en los resultados.

El "desafío" se da en la siguiente sección de la nota de aplicación:

• La salida del amplificador U1, que está configurado en una configuración de ganancia unitaria, polariza el electrodo de referencia del electrodo de pH con el mismo voltaje, 512 mV, a baja impedancia.

  El electrodo de medición de pH producirá un voltaje que se suma a este voltaje de polarización de 512 mV. En efecto, el circuito cambia la señal del electrodo de pH bipolar a una señal unipolar para usar en un sistema de suministro único.

es decir, cualquier error en este voltaje se refleja directamente en el voltaje de salida como un error en la lectura de pH.

La impedancia de fuente de las resistencias de 2 x 10 k en serie es de 5 K (Refectivo = R1 x R2 / (R1+ R2)). Si la celda cargara esto con una impedancia de 1 megaohmio, el cambio en el voltaje real sería de 5k // 1 M = 0.005 = 0.5%. Cargar con 10 megaohmios daría un error de 0,05 %, etc. Esto no parece mucho (y no es mucho), pero la sensibilidad de la celda es de 1 mV por pH. Entonces 5/1000 x 512 mV ~= 2.5 mV o 2.5 error de pH. Y carga de 10 megaohmios = error de pH de 0,25. Incluso una carga de 100 megaohmios = 0,025 de error de pH.

Si el pH se lee hasta 0,1 unidades de pH, un error de 0,025 pH es 1/4 de un "bit". Si el pH se leyó en 0,01 unidades, entonces 0,025 pH = 2,5 "bits", ¡y eso es con una carga de solo 100 megaohmios!

Reducir R1 y R2 a 1 k o 100 ohmios ayudaría, a expensas de un mayor consumo de corriente. U1 proporciona una mejor solución a un costo aceptable.

La hoja de datos del opamp LMP7721 se anuncia con su corriente de polarización de entrada extremadamente baja. La corriente de polarización de entrada es la corriente que entra en los terminales de entrada de un opamp. El modelo opamp ideal dice que es cero, pero no es así en la práctica.

En la mayoría de los casos no es un problema. Pero estás tratando aquí con fuentes de muy alta impedancia. Las fuentes de alta impedancia significan que no puede extraer ninguna corriente de ellas. Como acabo de decir, un amplificador operacional también consume corriente. ¿Por qué me molestaría?

Bueno, el electrodo de pH probablemente tenga una impedancia muy alta (espero mega ohmios). La impedancia de entrada de un ADC simple de un microcontrolador PIC o AVR es como 10k. Si imagina una fuente de voltaje, un divisor de resistencia de 1M y 10k y conecta la 'salida' de ese divisor al muestreador real del ADC, ¿qué voltajes cree que medirá? creo que no mucho..

Además, si extrae 50 nA a través de una resistencia de 1 MEG, provoca una (caída) de voltaje de 50 mV. Esto puede ser muy significativo.

Este amplificador operacional en particular tiene una gran impedancia de entrada. El error que causa este amplificador operacional con su corriente de polarización de entrada es muy, muy pequeño. El opamp puede proporcionar suficiente corriente para impulsar su ADC.

El divisor de resistencia de la referencia es una historia similar. ¡La corriente de carga de 1uA en R1 significará una caída de 10mV, que es más del 2%! El uso de un opamp resolverá este problema.

No conozco la configuración física de los electrodos en su ejemplo, pero la única situación en la que podría ver mucho beneficio para U1 sería si hubiera alguna fuente de fuga de corriente dentro o fuera del circuito, y la mayoría de esas fugas serían concentrado en el electrodo conectado a la salida del amplificador operacional. Por ejemplo, si hubiera una fuga a tierra de 100K de la señal que ahora está vinculada a la salida de U1, tendría poco efecto con el circuito tal como está dibujado. Sin embargo, si se omitiera U1, esa fuga de 100 K reduciría el voltaje de referencia de 512 mV en aproximadamente un 5 %. Eso podría causar un error severo en los cálculos.

Si la configuración física de los electrodos es tal que la fuga se concentrará en el correcto, el circuito dibujado podría ser muy útil. De lo contrario, admitiré que no veo mucho propósito.

U1 está en una configuración conocida como seguidor de voltaje o búfer. Simplemente hace que Vout = Vin, pero con la ventaja de que puede proporcionar cualquier valor actual, positivo o negativo (dentro de las limitaciones). Esto significa que puede generar o absorber cualquier cantidad de corriente (dentro de las limitaciones).

Por el contrario, si toma la salida directamente del nodo divisor, cualquier corriente que fluya hacia adentro o hacia afuera cambiará su potencial: no será una constante como desea.

Se requiere un suministro de electrodo de referencia de baja impedancia para que la caída de voltaje en la interfaz electrodo-líquido sea lo más baja posible.

Iba a publicar un comentario (especialmente porque es una pregunta antigua), pero se hizo demasiado largo.

Esa Nota de aplicación nacional AN-1852 (que ahora se encuentra en TI ), describe en gran detalle las razones para la inclusión del amplificador operacional para empezar.

Proporciona dos servicios totalmente diferentes al circuito.

En primer lugar, proporciona una polarización de baja impedancia de 512 mV al sensor al amortiguar la salida de la referencia LM4140A-1.0 dividida. * Nota al margen, ¿por qué molestarse en solicitar una referencia de voltaje del 0,1%, pero luego no indicar que las resistencias también deben ser al menos del 0,1%? Tal vez me hayan echado a perder las notas de la aplicación LT, Analog y NatSemi (especialmente las más antiguas). * Sin el amplificador operacional, distorsionaría las formas de onda de salida. Lo mismo sucede con algunos amplificadores de entrada cuando se usa un divisor de voltaje desnudo como su entrada de referencia. Para obtener más información sobre por qué sucede, consulte algunas de las diversas notas sobre el uso de amplificadores internos, como este artículo de EDN y este artículo de Maxim.. En una fecha posterior, el OP preguntó por qué no dejar el divisor de voltaje por completo. Si lo hiciera, su sensor ahora recibiría 1.024 V, lo que puede o no ser demasiado para el sensor; es posible que también deba rediseñar el circuito de entrada para mantener la entrada dentro del rango de entrada de los amplificadores operacionales. Para resumir, si deja el amplificador operacional y usa solo el divisor de voltaje, obtendrá una lectura distorsionada del sensor. Tenga en cuenta que casi CUALQUIER amplificador operacional podría proporcionar este servicio, siempre que la salida del divisor esté dentro de su rango de entrada. Es un amplificador operacional raro que no proporcionaría una impedancia de salida de sub-ohmios en CC (si se usa retroalimentación). Esto responde a la pregunta original.

En segundo lugar, proporciona una entrada de alta impedancia con una corriente de polarización muy baja. Si bien el OP señaló que su ADC específico podría usarse con sensores de alta impedancia, eso ni siquiera está cerca de ser todo lo que se requiere. En el modo de un solo extremo, tiene una impedancia de entrada de 25 M ohmios, en comparación con la salida de los sensores de más de 200 M. Eso solo reduciría el voltaje de salida en 1/8. Ahora, cuando tiene en cuenta las diversas fugas que presentaría el ADC, cualquier posibilidad de precisión desaparece. Por eso quieres el amplificador operacional en el circuito. Cualquier amplificador operacional CMOS, incluso semidecente, tendrá una impedancia de entrada de más de 1G ohm, si no mucho mayor. Esto significa que, en general, puede ignorar sus efectos en la señal. En lo que respecta a la corriente de polarización de entrada (que es, en esencia, la corriente que se extrae del sensor), incluso un amplificador operacional CMOS mucho más antiguo como elLMC660 de 1998 (estoy haciendo trampa aquí, ese amplificador operacional es uno de los mejores en esta área) tiene una corriente de polarización de entrada de solo 2-2000 fA máx. Ese ADC tiene una fuga de entrada de +/- 1 uA, una cantidad al menos un millón de veces peor que el amplificador operacional. Una vez más, esto conduciría a la distorsión.

Ahora fíjate, para aprovechar estas estadísticas al máximo requiere prestar atención a los detalles. Como dijo una respuesta anterior, en estos niveles, incluso las huellas dactilares marcan la diferencia, algunas veces reduciendo las ventajas que el amplificador operacional trae a la mesa en más de un orden de magnitud. Esto significa anillos de protección, aislamiento y más.

Ops, esto resultó mucho más largo de lo que pensé que sería.