Tácticas para un amplificador operacional estable de ganancia unitaria

El circuito que se muestra a continuación es un circuito de amplificador operacional típico del medidor de pH. Pero aquí LMC6001 no está configurado como ganancia unitaria.

circuito tipico de medidor de ph

Mi pregunta es esta, quiero hacer este circuito con un amplificador operacional de búfer de ganancia unitaria. ¿Qué pasa con R2, R4, C1 y R9 aquí? ¿Qué hacen? ¿Son útiles para estabilizar la señal?

¿Qué hay de hacer que LMC6001 obtenga una ganancia unitaria eliminando R1, R2, R3 y moviendo la derivación C1 R9 al circuito de retroalimentación de LMC6001?

Y lo que entiendo todavía: R1, R3 son resistencias de ganancia. La función de LMC6041 es agregar voltaje de referencia (ajustado por el divisor de resistencia R8 // R6, R7, R8) compensado a la entrada de ADC (o señal de pH).

¿Por qué quieres que sea de ganancia unitaria? Sabes que la salida nominal de la sonda de ph es ~0.06V/ph, ¿verdad? Vas a necesitar ganancia en alguna parte .
No. Tengo suficiente voltaje de compensación. No se necesita ganancia. Además, no uso riel negativo (suministro único).
Estás perdiendo el punto. ¿Qué dispositivo está utilizando que puede resolver muy por debajo de 60 milivoltios? Porque en este momento, un cambio de 60 milivoltios equivale a una diferencia de 1 pH. A menos que solo necesite las medidas más gruesas, un MCU ADC simple probablemente no funcione muy bien aquí.
Sabes que hay muchos ADC con una resolución de hasta 12 bits.
Sé que hay ADC con una resolución de 24 bits (¡o superior!), pero no importa el tamaño de bits de su ADC, usar solo parte de su rango de entrada es una ingeniería deficiente.
Es cierto, pero por ahora no trabajo en un producto comercial, solo prototipando.

Respuestas (1)

Lo mejor es pensar en este circuito en dos secciones. Todo lo anterior a R4 pertenece a la primera sección. R4, y todo lo que le sigue, pertenece a la segunda sección. Ahora, la primera sección parece un amplificador de voltaje no inversor de amplificador operacional estándar. Como probablemente sepa, la ganancia de dicho amplificador es igual a 1 + Z F / Z i norte , dónde Z F es la impedancia de retroalimentación y Z i norte es la impedancia de entrada. La segunda sección es un amplificador inversor de voltaje, con ganancia igual a − Z F / Z i norte .

Por lo tanto, la ganancia de la primera sección (con el amplificador operacional LMC6001) es igual a 1 + (R2+R_V)/R1, donde R_V es la configuración de resistencia variable del potenciómetro R3. La forma más sencilla de cambiar esto a un búfer de ganancia unitaria es simplemente eliminar R1 y cortocircuitar el terminal V a la salida. El amplificador operacional obliga a que V- sea igual a V+, por lo que si V- está en cortocircuito con la salida, entonces la salida también debe ser igual a V+.

La ganancia de la segunda sección es -R9/R4 = -1. Observa correctamente que se supone que la red conectada a la entrada positiva del LMC6041 agrega una compensación de CC. Así que esta sección ya tiene ganancia unitaria, pero se está invirtiendo.

El condensador C1, en combinación con R9, actúa como un filtro de paso bajo con una frecuencia de corte de 0,7 Hz. Eso asegura que el voltaje de salida cambie lentamente, para que pueda leer la salida con un multímetro.

Gracias por la respuesta muy clara. Tres preguntas ahora: 1- ¿Por qué no eliminar R1, R2, R3 en lugar de igualarlos? 2- ¿Qué tipo de filtrado de paso bajo es este? No se parece a los filtros de paso bajo activos o pasivos que aprendo. ¿Qué filtra? ¿Está filtrando el voltaje de compensación de referencia o la señal de pH? 3- Con la configuración de ganancia unitaria, que se acaba de ver aquí i.stack.imgur.com/iZzJl.png agregar la resistencia en serie del mismo valor antes de Vin y el bucle de retroalimentación es útil para estabilizar la señal.
Q1. El objetivo de un amplificador operacional es que tiene una gran ganancia de voltaje intrínseco, generalmente más de 10 ^ 6. Esta ganancia es "domesticada" por la red de retroalimentación. Sin embargo, si simplemente elimina la retroalimentación, no obtendrá una ganancia unitaria. Obtendrá 10^6*(V+ - V-) donde V+ y V- son los voltajes en los pines de entrada. Se pueden encontrar excelentes explicaciones de los conceptos básicos de los amplificadores operacionales en El arte de la electrónica de Horowitz y Hill ( en.wikipedia.org/wiki/The_Art_of_Electronics ).
Q2. La ganancia de voltaje es la impedancia de retroalimentación dividida por la impedancia de entrada . La impedancia del capacitor es igual a 1/(2 pi jf C) donde f es la frecuencia. Entonces el capacitor corta las frecuencias altas.
"No obtendrás ganancia unitaria. Obtendrás 10^6*(V+ - V-)." está bien, pero V- es 0 en mi circuito, está conectado a tierra.
Q3. Agregar una resistencia en serie a la salida de un amplificador operacional a veces puede hacer que el circuito sea más estable cuando las oscilaciones de alta frecuencia son un problema. También puede ser útil para evitar sobrecargar la corriente de la etapa de salida. En su aplicación, no creo que ninguno de estos sea una preocupación.
Además de Q1: siempre hay compensaciones de voltaje y corriente en los pines de entrada de un amplificador operacional. Estos pueden ser varios mV. Además, la salida del amplificador operacional podría impulsar fácilmente la corriente a través de R1. En ese caso, V- ciertamente ya no estará en el suelo.
@Dave: tenga en cuenta que la sonda de pH se conecta a la entrada +ve, por lo que la ganancia de la primera etapa es de aproximadamente +1.7, no -0.7.
¿Desaparecerán estos varios mV con resistencias de ganancia unitaria? Las compensaciones de voltaje no perturban mi aplicación si siempre son estables. Simplemente no quiero voltajes de ruido.
@BrianDrummond: Tienes toda la razón, fui demasiado rápido. Y cambia bastante la respuesta. He arreglado mi respuesta.
@ user30878: el voltaje de compensación es una propiedad del amplificador operacional, por lo que no hay forma de que desaparezca. La buena noticia es que el voltaje de compensación es probablemente mucho mayor que el voltaje de ruido en su aplicación. Las hojas de datos del amplificador operacional especificarán tanto el voltaje de compensación como el voltaje de ruido.
@DaveKielpinski, así que no necesito usar resistencias de retroalimentación :)
@user30878: No, si solo quieres una ganancia unitaria en la primera etapa, no. ¡Pero sí necesita acortar V- a la salida! Perdón por mi confusión anterior. Por lo general, V+ está por encima de V- en el esquema, pero en este es al revés. Simplemente no miré con suficiente cuidado.
La ganancia (CC) de la segunda etapa es -R9/R4 = -1. (Dependiendo de la entrada, el OP puede necesitar el riel de suministro negativo).
@Dave: ahora la descripción de la segunda etapa es incorrecta, ¡antes era correcta!
@GeorgeHerold: Gracias. Supongo que no debería tratar de responder preguntas a altas horas de la noche. Fijado...
@user30878: Los comentarios señalaron que, al corregir mi error de anoche, introduje otro error. Esto ha sido corregido.
@DaveKielpinski Hola, leí tu respuesta nuevamente. Mire aquí electronics.stackexchange.com/questions/86494/… dicen que es paralelo a 100k res. y 0,1 uF cap. no actuará como filtro aquí.
@ user30878 Su enlace habla de amplificadores operacionales que no invierten, pero la segunda sección está invirtiendo. El punto clave en el enlace es que no hay flujo de corriente a través de la red de retroalimentación. Sin embargo, claramente hay un flujo de corriente en su caso.
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