Metodología de diseño para un amplificador operacional sumador no inversor

Estoy tratando de diseñar un circuito de amplificador operacional para sumar cuatro voltajes usando una configuración de suma no inversora. Puede verlo en el circuito a continuación, aunque por motivos de ilustración, los valores de la resistencia son solo 100 Ω. Tengo algunos problemas para decidir qué valores usar.

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Para comenzar, analicé el siguiente circuito para determinar cómo se ve afectada la ganancia. Suponiendo un amplificador operacional ideal, el voltaje en los terminales inversor y no inversor coincide entre sí. A partir de ahí, toda la corriente de las cuatro entradas pasa por R 7 para ir a tierra, por lo que el voltaje en la terminal no inversora (llámese eso V PAG ) se puede escribir de la siguiente manera:

V A − V PAG R 1 + V B − V PAG R 2 + V C − V PAG R 3 + V D − V PAG R 4 = V PAG R 7

Suponiendo que todas las resistencias son iguales, las resistencias se cancelan entre sí, y eso se simplifica a

V PAG = V A + V B + V C + V D 5

El terminal inversor V norte sigue la fórmula básica para una suma no inversora, con la ganancia determinada por R 6 , la resistencia de realimentación y R 5 :

V AFUERA = ( 1 + R 6 R 5 ) ⋅ V norte

En total, el voltaje de salida se puede escribir como la suma de los voltajes de entrada. Dependiendo de su elección para R 5 y R 6 , la ganancia unitaria parece ser alcanzable.

V AFUERA = ( 1 + R 6 R 5 ) ⋅ V A + V B + V C + V D 5

Con todo esto, puede determinar la ganancia neta a partir de los valores de la resistencia, pero ¿cómo debo comenzar a determinar qué valores son apropiados para el amplificador operacional? En esta topología, ¿cómo afectan las entradas múltiples al ancho de banda y cómo elige valores de resistencia que maximicen el ancho de banda? ¿El ancho de banda aún se vería afectado por la ganancia neta como se muestra en la última ecuación, o solo depende del término de ganancia de R 5 y R 6 ? Intenté seguir esta guía que ayuda a diseñar circuitos de suma, pero la metodología utilizada parece indicar que R 7 no debe incluirse, así que no estoy seguro.

Respuestas (2)

Suponiendo que todos los voltajes tengan pesos iguales, tiene R1 = R2 = R3 = R4. No hay necesidad de R7 a menos que necesite reducir el voltaje en la entrada no inversora, así que déjelo fuera por ahora.

Cuando todos los voltajes son iguales a (digamos) 1V, el voltaje en la entrada no inversora será de 1V. Para convertirlo en un amplificador sumador, necesita un voltaje de 4 V, por lo que la relación de R6/R5 debe ser 3. Si incluye R7, solo tendría que aumentar la ganancia, lo que reduciría el ancho de banda y aumentaría el ruido y los errores de CC. , así que déjalo fuera.

Ahora tienes dos conjuntos de razones, pero todavía hay dos grados de libertad. Puede elegir un valor de resistencia de precisión razonable y fácilmente disponible como 10K para R1..R4. Ahora la impedancia vista por la entrada no inversora es 2.5K. Puede elegir R5||R6 = 2.5K (y R6/R5 = 3) para igualar las impedancias vistas, o para algunos amplificadores operacionales que no son particularmente importantes porque la corriente de polarización es muy baja y puede elegir R1..R4 mucho más alto para minimizar la carga, por ejemplo.

Para un ancho de banda de amplificador operacional dado (y tal vez el margen de fase) se mejorará al reducir los valores de resistencia. Demasiado bajo y se desperdicia energía o es posible que el amplificador operacional no pueda impulsar la baja resistencia o que la carga de entrada sea demasiado en lo que sea que lo esté impulsando. Entonces, es una compensación. Si está tratando con MHz, los valores de la resistencia generalmente serán mucho más bajos que si está tratando con audio de CC.

PD Tienes dos variables y dos ecuaciones para R6 y R5 y en el ejemplo anterior R6 = 10K y R5 = 3.333K. Podría usar tres resistencias de 10K en paralelo para hacer R5 para un circuito de precisión.

Gracias por responder. Mis señales son pequeñas (onda sinusoidal de 0,1 V), pero intento lograr un ancho de banda cercano a los 100 MHz. Sin R7, ¿no hay riesgo de diafonía entre señales? Se utilizan en otros lugares, por lo que quiero reducir el riesgo de diafonía lo mejor posible. El problema parece ocurrir con la compensación de tener 4 entradas, lo que hace que la ganancia de circuito cerrado sea alta. Si solo sumo 2 entradas, ¿permitiría eso una mayor flexibilidad y ayudaría a prevenir la diafonía?
O, ¿qué pasa si se usa un amplificador de retroalimentación de corriente? De esa forma, el ancho de banda permanece constante independientemente de la ganancia, incluso si las resistencias de entrada y tal vez R7 son altas.

La desventaja del verano no inversor es la posibilidad de diafonía entre entradas: por ejemplo, si la señal A se alimenta desde una fuente de impedancia de 10 ohmios (R1 / 10) y la señal A se usa en otro lugar, se agregaría el voltaje en el punto de suma a A, atenuado en solo unos 20dB, y claramente audible para cualquier persona que escuche (o grabe) el canal A solo.

Si esto le importa, entonces puede mantener R7 bajo (p. ej., R1/10, atenuando el voltaje sumado en otros 20 dB) y vivir con una amplitud baja en el punto de suma, compensándolo con una mayor ganancia (R6/R5 + 1 ). Esto tiene la desventaja de un rendimiento de ruido más pobre, como compensación por una diafonía algo mejorada entre las entradas.

Sin embargo, la principal ventaja del verano inversor es la tierra virtual, que evita por completo el problema de la diafonía (aunque aún es necesario un diseño cuidadoso para mantener la diafonía por debajo de -80dB)

Entonces, la mejor opción depende de la información situacional que solo usted tiene.

Gracias por responder. Mantener R7 bajo daría como resultado un rendimiento deficiente. La atenuación de voltaje en el nodo sumador se puede ver como R 7 ( 4 R 7 ) + R i donde Ri son las resistencias de entrada (todas iguales). Como alternativa, ¿funcionaría también tener resistencias de terminación de 50 ohmios en A, B, C y D a tierra? No lo mostré, pero mis señales provienen de cables coaxiales, por lo que planeo tener resistencias de terminación de 50 ohmios en la entrada, pero no afectan las ecuaciones aquí.
Las resistencias de terminación en las entradas no eliminarán la diafonía (pueden reducirla un poco, ya que están en paralelo con la impedancia de la fuente). Todavía no sé si te importa la diafonía; simplemente lo señaló en caso de que fuera algo que no había considerado y que pudiera volverse importante más adelante. Personalmente, usaría un verano de tierra virtual e invertiría nuevamente después.
Bueno, gracias. Es todo un enigma. Las señales que estoy sumando son señales de bajo voltaje (100 mV). No puedo decir si la diafonía es importante o no; Yo mismo no estoy muy seguro. Siguiendo su ejemplo, obtuvo 20dB de 20*log(R1/10). Esta atenuación empeoraría a medida que aumenta R1 ~ R4, pero para la diafonía, ¿solo está usando R1? Mi fuente es de 50 ohmios, por lo que si R1 es de 10k, ¿la atenuación sería de 46 dB? Estoy un poco perdido sobre cómo resolver esto.
¿Se utilizan las fuentes para algo más, o su único propósito es alimentarse durante el verano? Si ese es su único propósito, la diafonía no importa. (Solo quise decir R1 como representante: 50/R1 representa una diafonía de -46dB en el canal 1; 50/R2 para el canal 2, etc.)
Sí. Los voltajes son voltajes de señal que se alimentan al verano; también se están alimentando a otros veranos (para lograr sumas como A+B, etc.). Eso es todo. ¿Qué pasa si acabo de sumar 2 entradas en lugar de 4? Puedo mantener R7 bajo en comparación con la entrada Rs, y la ganancia de bucle cerrado no tendrá que ser tan alta para compensar. También puedo reducir la posibilidad de que se propague la diafonía a lo largo de otras entradas.
En realidad, si me lo permite, ¿qué pasa si utilizo una topología opamp de retroalimentación de corriente para el circuito? De esa forma, el ancho de banda permanecerá alto y consistente con una resistencia de retroalimentación lo suficientemente baja que no tiene que depender de la ganancia. Además, un pequeño capacitor en el nodo de suma puede ayudar a filtrar el ruido como un filtro de paso bajo con R7.
Metodología de diseño para un amplificador operacional sumador no inversor
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