Resistencias de conmutación en el amplificador de amplificador operacional

Probablemente haya mejores configuraciones de amplificador operacional de ganancia conmutable si usa una topología de ganancia no inversora. Para empezar, las impedancias alrededor de las resistencias de retroalimentación y puesta a tierra pueden ser mucho más bajas y, por lo tanto, las corrientes de fuga producidas por el interruptor analógico producen errores de compensación de voltaje significativamente menores. Otra ventaja es que el interruptor analógico puede convertirse en un JFET simple si elige cambiar la ganancia conectando a tierra diferentes valores de resistencias: -

Puede tener varias versiones de Rg conectadas a tierra mediante JFET o conmutadores analógicos. Tenga en cuenta que en esta configuración, la selección de la resistencia (mediante interruptores) no imparte ninguna condición cambiante en la impedancia de entrada del amplificador.

Si insiste en que se usa la topología de inversión, recomendaría que la conmutación esté en el bucle de retroalimentación y no necesita preocuparse por romper el bucle: su ganancia máxima se establecerá mediante una resistencia conectada permanentemente del valor más alto y su interruptor (es) conectaría más resistencias paralelas para reducir la ganancia: este método no afecta la impedancia de entrada en el circuito.

La atenuación es bastante simple: use un potenciómetro. Si la resistencia de salida no es aceptable, puede continuar con un búfer:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

No hay muchas trampas con este enfoque: los amplificadores operacionales que tiene probablemente sean estables en ganancia unitaria (consulte la hoja de datos).

Por supuesto, el problema es cómo ajustar el potenciómetro sin girar una perilla, pero también hay una solución para eso: un "potenciómetro digital". Puede encontrar cientos de ellos de cualquier proveedor de piezas con casi cualquier interfaz digital que desee.

El circuito superior es mejor en algunos aspectos, pero preferiría ver el interruptor justo en la entrada del amplificador operacional y las resistencias en el otro lado, lo que reducirá en gran medida la no linealidad (distorsión). Si el voltaje de entrada puede exceder el rango de la fuente de alimentación mux, debe tener cuidado con las resistencias 'desconectadas' que conducen corriente a través de las redes de protección internas del chip y causan errores.

El circuito inferior podría ser una ventaja si necesita lidiar con voltajes relativamente altos (digamos 100 V) en la entrada.

En ambos casos, la resistencia del interruptor y la fuga entrarán en el presupuesto de error, así que tenga cuidado si se trata de un circuito de precisión.

Editar: para ampliar el problema de la no linealidad:

Hay dos términos de error: la resistencia del interruptor constante (varía de unidad a unidad y con la temperatura y el voltaje de suministro, pero ignoremos eso), y hay un componente variable que cambia con el voltaje del interruptor con respecto a tierra o rieles de suministro . Conectar el interruptor en un punto de tierra virtual significa que la variación debida al voltaje se minimiza (tanto el voltaje de entrada como el voltaje de salida están cerca de 0 V si la resistencia del interruptor es baja en comparación con las resistencias, lo que debería ser). Conectándolo al otro lado de las resistencias, se maximiza el cambio de voltaje (seguirá las entradas directamente) y, por lo tanto, se maximiza la distorsión.

Ninguno de esos es una buena idea, ya que la mayoría de los interruptores se 'interrumpen antes de hacer', por lo que, por un instante, en cada uno de esos casos, el camino será un circuito abierto. Muy malo para la resistencia de retroalimentación ya que su ganancia aumentará y probablemente golpeará contra el riel y/o oscilará. En cambio, sugeriría cambiar la resistencia agregando otra resistencia en paralelo. Entonces, para un cambio de 2: 1, si el Rf fuera una resistencia de 100k, agregar otros 100k en paralelo daría como resultado 50k.

Hay dos tipos de diseños de amplificadores de ganancia conmutada: aquellos que tienen corrientes de señal significativas que fluyen a través del interruptor y aquellos que no. Los interruptores analógicos estándar, como la familia DG de Intersil, etc., tienen los siguientes inconvenientes:

1. La resistencia del interruptor depende del voltaje absoluto de la señal; esto modula la ganancia de su circuito y agrega distorsión.

2. La resistencia del interruptor se puede compensar en el mejor de los casos con un factor de 10 utilizando otro interruptor en el mismo troquel como referencia. La resistencia de encendido de los interruptores generalmente coincide dentro del 10% y el seguimiento de la temperatura debe ser similar en una matriz.

Entonces, la solución es evitar todo eso. Esto también le permite salirse con la suya usando conmutadores potencialmente mucho más baratos.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Esto ayuda de la siguiente manera:

1. Las entradas del amplificador operacional tienen alta impedancia, por lo que la corriente "no" fluye a través del interruptor.

2. El interruptor transporta las corrientes de polarización/compensación del amplificador operacional. Si desea compensarlo, deje el SW3 del mismo paquete en serie con la entrada positiva. Ese interruptor estará cerrado en todo momento. Si el amplificador operacional tiene una corriente de compensación muy baja, puede eliminar SW3. Algunos amplificadores operacionales tienen corrientes de "compensación" decorrelacionadas y para el ruido más bajo no deben usar una resistencia de fuente innecesaria en la "otra" entrada. La hoja de datos indicaría eso.

3. Todos los interruptores "ven" el voltaje constante presente en la entrada positiva del amplificador operacional y, por lo tanto, su resistencia no está modulada por la señal.

Por supuesto, nada es gratis. La ganancia de bucle abierto del amplificador operacional se reduce, ya que ve una menor resistencia de carga en la salida: todos los divisores de ganancia cargan la salida en paralelo.

La selección juiciosa de U1 permite mantener el rendimiento satisfactorio con múltiples interruptores. Si necesita más ganancias, elimine los números enteros comunes y divida la ganancia entre dos etapas. Esto sería necesario para mantener el ancho de banda del sistema de todos modos, o para controlar el ruido al no tener que tener un GBW excesivo con ganancias bajas.

C1 es generalmente una buena idea, pero debe seleccionarse de modo que sus efectos estén lejos de la banda de paso. No desea que la resistencia variable del interruptor distorsione su señal.

La relación de transferencia de la configuración inversora es -R2/R1; por lo que depende linealmente de R2 e hiperbólicamente de R1. Este es otro argumento a favor del segundo circuito inversor (con una variable R2).

Otra fuente de error es la caída de voltaje variable en la resistencia conmutable debido a la corriente de polarización de entrada del amplificador operacional.

Si los interruptores analógicos conectados al punto de suma de la configuración inversora tienen alguna corriente de entrada (como la corriente base de los antiguos interruptores BJT), ingresará al punto de suma y se agregará a la corriente de entrada (otro error).

La escalera R-2R (multiplicador DAC con salida de corriente, por ejemplo, el antiguo AD 7533) es un elemento adecuado para implementar una resistencia R1 (R2) controlada digitalmente y, en consecuencia, un amplificador con una ganancia programable.

De todas las respuestas anteriores, solo puedo estar de acuerdo en que la respuesta votada es la mejor porque los interruptores o Fet son casi lineales debido a su nivel del suelo.

Pero hay un problema que no se ha discutido anteriormente: si los interruptores están en el circuito de retroalimentación cerca de la entrada del opamp, deben colocarse en una PCB y se acoplan directamente a los pines más sensibles del opamp: los pines de entrada. Por experiencia, esto conduce a circuitos muy sensibles que captan el ruido fácilmente.

Este problema no existe en la solución proporcionada al cambiar Rg a tierra en topologías no inversoras.