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8/19/2019 PDF Opamp Basics

1/21

A m p l i f i e

r P r o p e

r t i e s :

I d e a l v

s . N o n i d e a l

G a i n

( o p e n

l o o p )

B a n d w i d t h

( f r e q u e n c y

r e s p o n s e

H z )

I n p u t

i m p e d a n c e

( i n t e r f a c i n g

t o s e n s o r s )

O u t p u t

i m p e d a

n c e

( i n t e r f a

c i n g

t o l o a d

)

N o i s e

( u V / s q r t

( H z ) o r

u A / s q r t

( H z )

C o m m o n

m o d e

r e j e c t i o n

( d i f f

g a i n / c o m m

o n m o d e

g a i n )

I d e a l

α α α α

α α α α

α α α α

0 0 0 0

0

α α α α

N o n i d e a l

1 0 e 6

1 M H z

1 0 0 M o h m s

1 0 0 o h m s

1 u V , 1

n A

1 0 0 , 0 0 0

E x a m p l e

M i c r o

-

p h o n e

U l t r a s o u n d

P i e z o e l e c t r i

c c r y s t a l

L o u d

s p e a k e

r

E E G

E C G , E M G ,

E E G


2/21

O p

e r a t i o n a l A m p l i f i e r ( O P

A M P )

B a s i c a n d m o s t c o m m o n c i r c u i t

b u i l d i n g d e v i c e . I d e a l l y ,

1 . N o c u r r e n t c a n e n t e r t e r m

i n a l s

V + o r V - . C

a l l e d i n f i n i t e i n p u t

i m p e d a n c e

.

2 . V o u t = A ( V +

- V - ) w i t h A → ∞

3 . I n a c i r c u i t

V + i s f o r c e d e q u a l t o

V - .

T h i s i s

t h e v i r t u a l g r o u

n d

p r o p e r t y

4 . A n o p a m p

n e e d s t w o v o l t a g e s t o

p o w e r i t V c c a n d - V e e . T h e s e a r e

c a l l e d t h e r a i l s .

A

V o = ( A V

- A V

)

= A ( V -

V

)

+ +

-

-


3/21

I N P U T I M P E D A

N C E

W H Y ?

F o r a n i n s t r u m e n t t h e Z I N

s h o u l d b e v e r y h i g h ( i d

e a l l y

i n f i n i t y ) s o i t d o e s n o t d i v e r t a n y

c u r r e n t f r o m t h e i n p u t t o i t s e l f

e v e n i f t h e i n p u t h a s v e r y h i g h

r e s i s t a n

c e .

e . g . a n o p a m p t a k i n g i n p u t f r o m

a m i c r o e l e c t r o d e .

I n p u t C

i r c u i t

O u t p

u t

I m p e d a n c e b e t w e e n

i n p u t t e r m i n a l s = i n p u t

i m p e d a n c e

e . g . M i c r o e l e c t r o d e R = 1 0

M o h m &

t h e r e f o r e

R i n = G O h m !


4/21

O

U T P U T

I M P E D

A N C E

I n p u t

C i r c u

i t

O u t p u t

I m p e d a n c e b e t w e e n

o u t p u t t e r m i n a

l s =

o u t p u t i m p e d a

n c e

W H Y ?

F o r a n i n s t r u m e n t t h e Z O U T

s h o u l d b e

v e r y l o w ( i d e a l l y

z e r o ) s o i t

c a n s u p p l y o u

t p u t

e v e n t o v e

r y l o w r e s i s t i v e l o a d s

a n d n o t e x

p e n d m o s t o f i t o n

i t s e l f .

e . g . a p o w e r o p a m p d r i v i n g

a m o t o r

o r a l o u d s p e

a k e r


5/21

O P A M P : C O M P A

R A T O R

V o u t = A ( V i n – V r e f )

I f V i n > V r e f , V o u t

= + ∞ b u t p r a c t i c a l l y

h i t s + v e p o w e r

s u p p l y = V c c

I f V i n < V r e f , V o u t

= - ∞ b u t p r a c t i c a l l y

h i t s – v e p o w e r

s u p p l y = - V e e

V c c

- V e e

V I N

V R E F

A p p l i c a t i o n : d e t e c t i o n o f

Q R S c o m p l e x

i n E C G

A

( g a i n )

v e r y h i g h


6/21

O P A M P

: A N A L Y S I S

T h e k e y t o o p a m p a n

a l y s i s i s s i m p l e

1 . N

o c u r r e n t c a n e n t e r o p a m p i n p u t t e r m i n a l s .

= > B e c a u s e o f

i n f i n i t e i n p u t i m

p e d a n c e

2 . T

h e + v e a n d – v e ( n o n - i n v e r t i n g a n d i n v e r t i n g

)

i n

p u t s a r e f o r c e d t o b e a t t h e s

a m e p o t e n t i a l .

= > B e c a u s e o f

i n f i n i t e o p e n l o

o p g a i n

3 . T

h e s e p r o p e r t y

i s c a l l e d “ v i r t u a l g r o u n d ”

4 . U

s e t h e i d e a l o p

a m p p r o p e r t y

i n a l l y o u r

a n a l y s e s


7/21

O P A

M P : V O L

T A G E F

O L L O W E R

V + = V I N .

B y v i r t u a l g r o u n d , V - = V +

T h u s V o u t = V - = V + = V I N ! ! ! !

S o w h a t ’ s t h e p o i n t ?

T h e p o i n t i s , d

u e t o t h e

i n f i n i t e

i n p u t i m p e d a n

c e o f a n o p a m

p , n o c u r r e n t

a t a l l c a n b e d r a w n f r o m t h e c i r c u i t b e f o r e V I N .

T h u s t h i s p a r t i s e f f e c

t i v e l y i s o l a t e d .

V e r y u s e f u l f o r i n t e r f a

c i n g t o h i g h i m

p e d a n c e

s e n s o r s s u c h a s m i c r o e l e c t r o d e , m i c r o p h o n e …


8/21

O P A M P

: I N V E R T I N G

A M

P L I F I E R 1 .

V - = V +

2 . A s

V + = 0 , V - = 0

3 . A s

n o c u r r e n t c a n e n t e r

V - a n d f r o m K i r c h

o f f ’ s

I s t

l a w , I 1 = I 2 .

4 . I 1 = ( V I N - V - )

/ R 1 = V

I N / R 1

5 . I 2 = ( 0 - V O U T ) / R 2 =

- V O U T / R 2 = > V O U T = - I 2 R 2

6 . F r o m

3 a n d 5 , V O U

T = - I 2 R 2 = - I 1 R

2 = - V I N ( R 2 / R 1 )

7 . T h e r e f o r e V O U T = ( - R 2 / R 1 ) V I N


9/21

O P

A M P : N O

N – I N V

E R T I N G

A M

P L I F I E R 1 .

V - = V +

2 . A s

V + = V I N , V - =

V I N

3 . A s

n o c u r r e n t c a n e n t e r

V - a n d f r o m K i r c h

o f f ’ s

I s t

l a w , I 1 = I 2 .

4 . I 1 = V I N / R 1

5 . I 2 = ( V O U T - V I N ) / R 2 = > V O U T = V I N + I 2 R 2

6 . V O U T = I 1 R 1 + I 2 R 2 = ( R 1 + R 2 ) I 1 = ( R 1 + R 2 ) V I N / R 1

7 . T h e r e f o r e V O U T = ( 1 + R 2 / R 1 ) V I N

A p p r o x .

V i n

I 2 a p p r o x = I 1


10/21

D I F F

E R E N T

I A L A M

P L I F E R

S

V O U T = ( V 1 – V 2 ) R 2 / R

1

A m p l i f i e s a d i f f e r e n c

e .

C o m m

o n n o i s e s o u r c e s

a d d s y m m e t r i c a l l y t o

a n

o p a m

p . T h u s t h e r e i s a

d i f f e r e n t i a l ( V 1 – V 2 ) a n d a

c o m m

o n m o d e ( V 1 + V 2 )

c o m p o n e n t t o t h e i n p u t .

T h u s ,

V O U T = A C ( V 1 + V 2 ) + A D ( V 1 – V 2 )

A D : d i f f e r e n

t i a l ( s i g n a l ) g a

i n , A C : c o m m o n m o d e ( n o i s e ) g a i n .

T h e r a t i o A

D / A C ( C o m m o n M o d e R e j e c t

i o n R a t i o – C M

R R ) i s

a v e r y i m p

o r t a n t p a r a m e

t e r . I d e a l l y C M

R R → ∞

R a t i o o f w h

a t I w a n t

( A d ) o v e r w

h a t I d o n ’ t

w a n t : ( A c )


11/21

S

U M M I N

G A M P L I F I E R

V O U T = - R f ( V 1 / R 1

+ V 2 / R 2 + … +

V n / R n )

I f R 1 = R

2 = … = R f , t h e n

V o u t = V 1 + V 2 + … + V n

I f

R e c a l l i n v e r t i n g

a m p l i f i e r a n d

I f = I 1 + I 2 + …

+ I n

S u m m i n g

a m p l i f i e r i s a g o o d

e x a m p l e o f a n a l o g

c i r c u i t s s e r v i n g a s a n a l o g

c o m p u t i n g a m p l i f i e r s ( a n a l o g

c o m p u t e r s ) !

N o t e : a n a

l o g c i r c u i t s c a n a d d

, s u b t r a c t , m u l t i p l y /

d i v i d e ( u s i n g l o g a r i t h m i c

c o m p o n e n t s ,

d i f f e r e n t i a t a n d

i n t e g r a t e – i n r e a l t i m e a n d c o n t i n u o u s

l y .


12/21

D R I V I N

G O P A M P S

• F o r c e r t a i n a p p l i c a t i o n

s ( e . g . d r i v i n g

a m o t o r o r a

s p e a k e r ) , t h e a m p l i f i e r

n e e d s t o s u p p

l y h i g h c u r r e n t . O p

a m p s c a

n ’ t h a n d l e t h i s

s o w e m o d i f y t h e m t h u s

I r r e s p e

c t i v e o f t h e o p

a m p

c i r c u i t ,

t h e s m a l l c u r r e n t i t

s o u r c e

s c a n s w i t c h O

N

t h e B J T g i v i n g o r d e r s

o f

m a g n i t u d e h i g h e r c u r

r e n t

i n t h e l o a d .

e . g . t o

d r i v e a l o u d

s p e a k e

r o r a m o t o r

I n d e e d , c i r c u i t s e x i s t t o b o o s t

c u r r e n t a s w e l l a s p o w e r


13/21

W e w o u l d l i k e

t o m e a s u r e s m a l l d i s p l a c e m e n t s o r s t r a i n s u s i n g s t r a i n g a u g e s .

T h e s e a r e v a r i a b l e r e s i s t a n c e s t h a t r e s p o n d t o s m a l l c h a n g e s i n

s t r a i n / s t r e t c h - c o n t r a c t i o n o f t h e s

u r f a c e t h e s e n s o r i s m o u n t e d o n .

( i ) s u

g g e s t

a s u i t a b l e a p p l i c a t i o n .

( i i ) A u s e f u

l d e s i g n i s t o p u t t h

e s t r a i n g a u g e i n a

b r i d g e

c i r c u i t d e s i g n .

C a l c u l a t e t h e o u t p

u t o f t h e f o l l o w i n g c

i r c u i t f o r a v e r y s m a l l d R

c h a n g e s w i t h

r e s p e c t t o t h e R v a

l u e s o f t h e b r i d g e e

l e m e n t s .

H i n t : T h e

o u t p u t

s h o u l d b e a r e l a t i o n s h i p b e t w e e n

V ,

R ,

d R ,

R f a n d V

o .

R

f

V s

R

R -

d R

R + d R

R

V o

A P P L I C A T I O N : I n t e r f a c i n g S t r a i n G a u g e s

i n a B r i d g e C i r c

u i t

S t r a i n G a u g

e s

S t r a i n g a u g e s a

r e

r e s t i s t o r s w h o s e

v a l u e c h a n g e s w i t h

s t r a i n o f t h e

m a t e r i a l t h e y a r e

m o u n t e d o n

V 1

V 2

W h e n

t h e b r i d g e

i s b a l a n c e d d R = 0 .

W h e n

u n b a l a n c e d

d u e t o

s t r a i n ,

d R = / 0 a n d h e n c e

V 1 - V 2 g i v e s

p r o p o

r t i o n a l

o u t p u t . T h e n , o

f

c o u r s e , t h e o p

a m p d

i f f e r e n t i a l

a m p l i f i e r

a m p l i f i e s t h i s

s m a l l

s i g n a l

B r i d g e c i r c u i t

D i f f e r e n t i

a l a m p l i f i e r


14/21

I N S T R U

M E N T A

T I O N

A M

P L I F I E R

I n v e r t i n g

a m p l i f i e r

N o n - i n v

e r t i n g

a m p l i f i e r

D i f f e r e n t i a l

a m p l i f i e r b u t

w i t h v e r y h i g h

i n p u t

i m p e d a n c e

- S o , y o u c a n

c o n n e c t t o

s e n s o r s

D i f f e r e n t i a l a m p l i f i e r - >

i t r e j e c t s c o m m o n - m o d e

i n t e r f e r e n c e - > s o

y o u

c a n r e j e c t n o i s e

G a

i n i n t h e m u l t i p l e s t a g e s : i . e .

H i

g h G a i n – s o , y o u c a

n

a m

p l i f y s m a l l s i g n a l s

A s a

b o n u s ,

p u t

s o m e

l o w p a s s

a n d

h i g h

p a s s

f i l t e r s !


15/21

I N S T R U

M E N T A

T I O N

A

M P L I F I

E R : S T A G E 1

I 1

R e c a l l v i r t u a l g r o u n d o f o p a

m p s

I 1 = ( V 1 – V 2 ) / R 1

R e c a l l n o c u r r e n t c a n e n t e r

o p a m p s a n d

K i r c h o f f ’ s c u r r e n t l a w

I 2 = I 3 = I 1

R e c a l l K i r c h o

f f ’ s v o l t a g e l a w

V O U T

= ( R 1 + 2 R 2 ) ( V 1 – V 2 ) / R 1

= ( V 1 – V 2 ) ( 1 + 2 R 2 / R 1 )

I 2 I 3


16/21

I N S T R U

M E N T A

T I O N

A

M P L I F I E R : S T A G E 2

I 1

R e c a l l v i r t u a l g r o u n d o f o p a

m p s

a n d v o l t a g e d

i v i d e r

V - = V + = V 2 R

4 / ( R 3 + R 4 )

R e c a l l n o c u r r e n t c a n e n t e r

o p a m p s

( V 1 – V - )

/ R 3 =

( V - – V O U T ) / R 4

S o l v i n g ,

V O U T = – ( V 1 – V 2 ) R 4 / R 3

I 2 I 3


17/21

I N S T R U

M E N T A

T I O N

A M

P L I F I E

R : C O M

P L E T E

V O U T = – ( V 1 – V 2 ) ( 1 + 2 R 2 / R 1 ) ( R

4 / R 3 )

G a i n f r o m

S t a g e I a n d S t a g e I I


18/21

I N S T R U

M E N T A

T I O N

A M

P L I F I E

R : C O M

P L E T E

V O U T = – ( V 1 – V 2 ) ( 1 + 2 R 2 / R 1 ) ( R

4 / R 3 )

G a i n f r o m

S t a g e I a n d S t a g e I I

F e a t u r e s :

• D i f f e r e n t i a l a m p

• V e r y h i g

h g a i n

• V e r y h i g

h i n p u t R

• C o m m o n m o d e

r e j e c t i o n

• ( w e a l s o n e e d

f i l t e r s )


19/21

A P

P L I C A T

I O N : F e

t a l E C G

U P : m o t h e r E C

G a m p l .

D N : f e t u s E C G

a m p l .

m o t h e r E C G f i l t e r s

f e t u s E C G f i l t e r s

V O U T = m o t h e r ’ s

E C G – f e t u s ’ E C G

P r o b l e m : R e c o r d e d E

C G =

m o t h

e r ’ s E C G + f e t u

s ’ E C G


20/21

P r o b l e m s

• R e s e a r c h

c o m m e r c i a l O

p A m p s – e . g . 7 4 1 o p a m p ( t r y

c o m p a n y

l i k e A n a l o g D e v i c e s o r T e x a s I n s t r u m e n t s ,

M a x i m ,

S i l i c o n i x ,

…

– I d e n t i f y

f r o m t h e c o m p a n

y c a t a l o g s o p a m p s f o r s p e c i a l i z e d

n e e d s .

E . g . f o r

l o w n o i s e , l o w p o

w e r , u l t r a h i g h b a

n d w i d t h , u l t r a h i g h i n p u t

i m p e d a n c e

• D e v i s e d i f f e r e n t a p p l i c a t i o n s f o r

– I n t e g r a t o r ( e . g . c h a r g e i n t e g r a t o r … w h a t s e

n s o r ? B i o p o t e n t i a l

m e a s u r

e m e n t . ) a n d D i f f e

r e n t i a t o r , L o g a r i t h

m i c a m p l i f i e r ( d r a

w c i r c u i t s

o r l o o k u p a p p l i c a t i o n s i n

l i t e r a t u r e )

• N e x t , c o n

s i d e r a n a p p l i c

a t i o n o f d r i v i n g a n u l t r a s o u n d

t r a n s d u c e

r w i t h v e r y h i g

h v o l t a g e . O p a m p s w o r k a t s m a l l

v o l t a g e s .

H o w w o u l d y o

u b o o s t t h e o p

a m p o u t p u t ?

– L o o k u p

c i r c u i t s / a p p l i c a t i o n n o t e s – e . g . A r t o f E l e c t r o n i c s o r c o m p a n y

a p p l i c a t i o n n o t e s ) .

• P r o p e r t i e s o f O p A m p s i n i d e a l c o n d i t i o n s d i f f e r f r o m

t h e

n o n i d e a l .

W h a t a r e t h e e n v i r o n m e n t a l c o n s i d e r a t i o n s

?

– E . g . H o

w d o e s t h e t e m p e

r a t u r e o r n o i s e c h a n g e ? L o o k u p t h e s e

s p e c i f i c

a t i o n s i n c o m m e r

c i a l d e v i c e s .


21/21

M o r e P r o b l e m s , M

o r e F u n

• A n a l o g

C o m p u t i n g ! H o w c a n w e d o i t ?

– W e c

a n a d d

– W e c

a n s u b t r a c t

– W e c

a n d o l o g a r i t h m … m u l t i p l y a n

d d i v i d e

– C a n

w e i n t e g r a t e ?

– C a n

w e d i f f e r e n t i a t e ?

– C a n

w e c o m p a r e ?

• I s A n a l o g C o m p u t e

r o r D i g i t a l C o m p u t e r b e

t t e r ?

- W h a

t c o m p o n e n t s ( i . e . c i r c u i t c o m

p o n e n t s , c h i p s ) d o

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