Op-amps: introduction
* The Operational Amplifier (Op-Amp) is a versatile building block that can be used for realizing several electronic circuits.
- M. B. Patil, IIT Bombay
Op-amps: introduction * The Operational Amplifier (Op-Amp) is a - - PowerPoint PPT Presentation
Op-amps: introduction * The Operational Amplifier (Op-Amp) is a versatile building block that can be used for realizing several electronic circuits. M. B. Patil, IIT Bombay Op-amps: introduction * The Operational Amplifier (Op-Amp) is a versatile
Q23 Q2 Q1 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q8 Q9 Q10 Q11 Q12 Q13 Q14 Q15 Q16 Q17 Q18 Q19 Q20 Q21 Q22 Q24 R1 R2 R3 R4 R6 R7 R8 R9 R10 R5 CC
Symbol
OUT
OUT
−VEE VCC VCC −VEE
OUT OUT OUT
Vo Vo Vi Vi AV Vi AV Vi Ro −VEE VCC Ri
OUT OUT OUT
Vo Vo Vi Vi AV Vi AV Vi Ro −VEE VCC Ri
OUT OUT OUT
Vo Vo Vi Vi AV Vi AV Vi Ro −VEE VCC Ri
OUT OUT OUT
Vo Vo Vi Vi AV Vi AV Vi Ro −VEE VCC Ri
OUT OUT OUT
Vo Vo Vi Vi AV Vi AV Vi Ro −VEE VCC Ri
linear saturation saturation 10 5 −5 −10 −10 5 −5 10 OUT OUT OUT saturation linear saturation −5 5 −0.2 −0.1 0.1 0.2
Vo Vo Vi Vi AV Vi AV Vi Ro −VEE VCC Ri
−Vsat Vsat
slope = AV Vi (V) Vo (V) Vo (V) Vi (mV)
linear saturation saturation 10 5 −5 −10 −10 5 −5 10 OUT OUT OUT saturation linear saturation −5 5 −0.2 −0.1 0.1 0.2
Vo Vo Vi Vi AV Vi AV Vi Ro −VEE VCC Ri
−Vsat Vsat
slope = AV Vi (V) Vo (V) Vo (V) Vi (mV)
linear saturation saturation 10 5 −5 −10 −10 5 −5 10 OUT OUT OUT saturation linear saturation −5 5 −0.2 −0.1 0.1 0.2
Vo Vo Vi Vi AV Vi AV Vi Ro −VEE VCC Ri
−Vsat Vsat
slope = AV Vi (V) Vo (V) Vo (V) Vi (mV)
10 −10 −5 5 saturation linear saturation OUT OUT
−5 5
Vo Vi AV Vi Ro −VEE VCC Ri Vsat −Vsat Vi (V) Vo (V)
10 −10 −5 5 saturation linear saturation OUT OUT
−5 5
Vo Vi AV Vi Ro −VEE VCC Ri Vsat −Vsat Vi (V) Vo (V)
10 −10 −5 5 saturation linear saturation OUT OUT
−5 5
Vo Vi AV Vi Ro −VEE VCC Ri Vsat −Vsat Vi (V) Vo (V)
10 −10 −5 5 saturation linear saturation OUT OUT
−5 5
Vo Vi AV Vi Ro −VEE VCC Ri Vsat −Vsat Vi (V) Vo (V)
10 −10 −5 5 saturation linear saturation OUT OUT
−5 5
Vo Vi AV Vi Ro −VEE VCC Ri Vsat −Vsat Vi (V) Vo (V)
10 −10 −5 5 saturation linear saturation OUT OUT
−5 5
Vo Vi AV Vi Ro −VEE VCC Ri Vsat −Vsat Vi (V) Vo (V)
10 −10 −5 5 saturation linear saturation OUT OUT
−5 5
Vo Vi AV Vi Ro −VEE VCC Ri Vsat −Vsat Vi (V) Vo (V)
10 −10 −5 5 saturation linear saturation OUT OUT
−5 5
Vo Vi AV Vi Ro −VEE VCC Ri iin Vsat −Vsat Vi (V) Vo (V)
10 −10 −5 5 saturation linear saturation OUT OUT
−5 5
Vo Vi AV Vi Ro −VEE VCC Ri iin Vsat −Vsat Vi (V) Vo (V)
10 −10 −5 5 saturation linear saturation OUT OUT
−5 5
Vo Vi AV Vi Ro −VEE VCC Ri iin Vsat −Vsat Vi (V) Vo (V)
10 −10 −5 5 saturation linear saturation OUT OUT
−5 5
Vo Vi AV Vi Ro −VEE VCC Ri iin Vsat −Vsat Vi (V) Vo (V)
ii RL R2 R1 Vi Vo
ii RL R2 R1 Vi Vo i1 Since V+ ≈ V−, V− ≈ 0 V → i1 = (Vi − 0)/R1 = Vi/R1 . (The non-inverting input is at real ground here, and the inverting input is at virtual ground.)
ii RL R2 R1 Vi Vo i1 Since V+ ≈ V−, V− ≈ 0 V → i1 = (Vi − 0)/R1 = Vi/R1 . (The non-inverting input is at real ground here, and the inverting input is at virtual ground.) Since ii (current entering the op-amp) is zero, i1 goes through R2 .
ii RL R2 R1 Vi Vo i1 Since V+ ≈ V−, V− ≈ 0 V → i1 = (Vi − 0)/R1 = Vi/R1 . (The non-inverting input is at real ground here, and the inverting input is at virtual ground.) Since ii (current entering the op-amp) is zero, i1 goes through R2 .
ii RL R2 R1 Vi Vo i1 Since V+ ≈ V−, V− ≈ 0 V → i1 = (Vi − 0)/R1 = Vi/R1 . (The non-inverting input is at real ground here, and the inverting input is at virtual ground.) Since ii (current entering the op-amp) is zero, i1 goes through R2 . → Vo = V− − i1 R2 = 0 − Vi R1
ii RL R2 R1 Vi Vo i1 Since V+ ≈ V−, V− ≈ 0 V → i1 = (Vi − 0)/R1 = Vi/R1 . (The non-inverting input is at real ground here, and the inverting input is at virtual ground.) Since ii (current entering the op-amp) is zero, i1 goes through R2 . → Vo = V− − i1 R2 = 0 − Vi R1
ii RL R2 R1 Vi Vo i1 Since V+ ≈ V−, V− ≈ 0 V → i1 = (Vi − 0)/R1 = Vi/R1 . (The non-inverting input is at real ground here, and the inverting input is at virtual ground.) Since ii (current entering the op-amp) is zero, i1 goes through R2 . → Vo = V− − i1 R2 = 0 − Vi R1
ii RL R2 R1 Vi Vo i1 RL R2 R1 i1 Vi Vo 0.1 V −1 V Since V+ ≈ V−, V− ≈ 0 V → i1 = (Vi − 0)/R1 = Vi/R1 . (The non-inverting input is at real ground here, and the inverting input is at virtual ground.) Since ii (current entering the op-amp) is zero, i1 goes through R2 . → Vo = V− − i1 R2 = 0 − Vi R1
ii RL R2 R1 Vi Vo i1 RL R2 R1 i1 Vi Vo 0.1 V −1 V Since V+ ≈ V−, V− ≈ 0 V → i1 = (Vi − 0)/R1 = Vi/R1 . (The non-inverting input is at real ground here, and the inverting input is at virtual ground.) Since ii (current entering the op-amp) is zero, i1 goes through R2 . → Vo = V− − i1 R2 = 0 − Vi R1
5 −5 0.5 1 1.5 2 t (msec)
RL R2 R1 Vi Vm = 0.5 V f = 1 kHz Vo 10 k 1 k Vi Vi , Vo (Volts) Vo
5 −5 0.5 1 1.5 2 t (msec)
RL R2 R1 Vi Vm = 0.5 V f = 1 kHz Vo 10 k 1 k Vi Vi , Vo (Volts) Vo
5 −5 0.5 1 1.5 2 t (msec)
RL R2 R1 Vi Vm = 0.5 V f = 1 kHz Vo 10 k 1 k Vi Vi , Vo (Volts) Vo
5 −5 0.5 1 1.5 2 t (msec)
RL R2 R1 Vi Vm = 0.5 V f = 1 kHz Vo 10 k 1 k Vi Vi , Vo (Volts) Vo
5 −5 0.5 1 1.5 2 t (msec)
RL R2 R1 Vi Vm = 0.5 V f = 1 kHz Vo 10 k 1 k Vi Vi , Vo (Volts) Vo
(SEQUEL file: ee101 inv amp 1.sqproj)
15 −15 0.5 1 1.5 2 t (msec)
RL R2 R1 Vi Vm = 2 V f = 1 kHz Vo 10 k 1 k Vo Vi Vi , Vo (Volts)
15 −15 0.5 1 1.5 2 t (msec)
RL R2 R1 Vi Vm = 2 V f = 1 kHz Vo 10 k 1 k Vo Vi Vi , Vo (Volts)
15 −15 0.5 1 1.5 2 t (msec)
RL R2 R1 Vi Vm = 2 V f = 1 kHz Vo 10 k 1 k Vo Vi Vi , Vo (Volts)
10 20 40 60 80 −10
RL R2 R1 Vi Vm = 1 V f = 25 kHz Vo 10 k 1 k Vi , Vo (Volts) Vo (expected) Vo Vi t (µsec)
10 20 40 60 80 −10
RL R2 R1 Vi Vm = 1 V f = 25 kHz Vo 10 k 1 k Vi , Vo (Volts) Vo (expected) Vo Vi t (µsec)
10 20 40 60 80 −10
RL R2 R1 Vi Vm = 1 V f = 25 kHz Vo 10 k 1 k Vi , Vo (Volts) Vo (expected) Vo Vi t (µsec)
10 20 40 60 80 −10
RL R2 R1 Vi Vm = 1 V f = 25 kHz Vo 10 k 1 k Vi , Vo (Volts) Vo (expected) Vo Vi t (µsec)
10 20 40 60 80 −10
RL R2 R1 Vi Vm = 1 V f = 25 kHz Vo 10 k 1 k Vi , Vo (Volts) Vo (expected) Vo Vi t (µsec)
(SEQUEL file: ee101 inv amp 2.sqproj)
RL RL R2 R2 R1 R1 Vi Vi Vo Vo Circuit 1 Circuit 2
RL RL R2 R2 R1 R1 Vi Vi Vo Vo Circuit 1 Circuit 2
RL RL R2 R2 R1 R1 Vi Vi Vo Vo Circuit 1 Circuit 2
RL RL R2 R2 R1 R1 Vi Vi Vo Vo Circuit 1 Circuit 2
ii i1 i2 RL R2 R1 Vi Vo
ii i1 i2 RL R2 R1 Vi Vo
ii i1 i2 RL R2 R1 Vi Vo
ii i1 i2 RL R2 R1 Vi Vo
ii i1 i2 RL R2 R1 Vi Vo
Inverting amplifier Non−inverting amplifier RL RL R2 R2 R1 R1 Vs Vs Vo = −R2 R1 Vs Vo =
R1
Inverting amplifier Non−inverting amplifier RL RL R2 R2 R1 R1 Vs Vs Vo = −R2 R1 Vs Vo =
R1
i1 Vs RL R1 R2 Vo Vi AV Vi Ro Ri
Inverting amplifier Non−inverting amplifier RL RL R2 R2 R1 R1 Vs Vs Vo = −R2 R1 Vs Vo =
R1
i1 Vs RL R1 R2 Vo Vi AV Vi Ro Ri
Inverting amplifier Non−inverting amplifier RL RL R2 R2 R1 R1 Vs Vs Vo = −R2 R1 Vs Vo =
R1
i1 Vs RL R1 R2 Vo Vi AV Vi Ro Ri Vs RL R1 R2 Vo Vi AV Vi Ro Ri
Inverting amplifier Non−inverting amplifier RL RL R2 R2 R1 R1 Vs Vs Vo = −R2 R1 Vs Vo =
R1
i1 Vs RL R1 R2 Vo Vi AV Vi Ro Ri Vs RL R1 R2 Vo Vi AV Vi Ro Ri
Inverting amplifier Non−inverting amplifier RL RL R2 R2 R1 R1 Vs Vs Vo = −R2 R1 Vs Vo =
R1
R2 R1 Vi Vo
R2 R1 Vi Vo R2 R1 Vi Vo
R2 R1 Vi Vo R2 R1 Vi Vo R2 R1 Vi Vo
R2 R1 Vi Vo R2 R1 Vi Vo R2 R1 Vi Vo R1 R2 Vi Vo
RL RL R2 R1 Vo Vo Vi Vi
RL RL R2 R1 Vo Vo Vi Vi
RL RL R2 R1 Vo Vo Vi Vi
RL RL R2 R1 Vo Vo Vi Vi
Vs RL Rs Vi Vo AV Vi Ro Ri
Vs RL Rs Vi Vo AV Vi Ro Ri
Vs RL Rs Vi Vo AV Vi Ro Ri
Vs RL Rs Vi Vo AV Vi Ro Ri
Non−inverting amplifier
A B
IS RL R2 R1 VS RL R1 R2 VS Vi AV Vi Ro Ri Vo =
R1
Non−inverting amplifier
A B
IS RL R2 R1 VS RL R1 R2 VS Vi AV Vi Ro Ri Vo =
R1
Non−inverting amplifier
A B
IS RL R2 R1 VS RL R1 R2 VS Vi AV Vi Ro Ri Vo =
R1
Non−inverting amplifier
A B
IS RL R2 R1 VS RL R1 R2 VS Vi AV Vi Ro Ri Vo =
R1
2
2
Non−inverting amplifier
A B
IS RL R2 R1 VS RL R1 R2 VS Vi AV Vi Ro Ri Vo =
R1
2
2
Non−inverting amplifier
A B
IS RL R2 R1 VS RL R1 R2 VS Vi AV Vi Ro Ri Vo =
R1
2
2
Non−inverting amplifier
A B
IS RL R2 R1 VS RL R1 R2 VS Vi AV Vi Ro Ri Vo =
R1
2
2
Buffer IS RL VS RL Vs Vi AV Vi Ro Ri Vo = Vs
Buffer IS RL VS RL Vs Vi AV Vi Ro Ri Vo = Vs
Buffer IS RL VS RL Vs Vi AV Vi Ro Ri Vo = Vs
Buffer IS RL VS RL Vs Vi AV Vi Ro Ri Vo = Vs
Buffer IS RL VS RL Vs Vi AV Vi Ro Ri Vo = Vs
Non−inverting amplifier RL Vo R2 R1 Vs RL Vs R1 R2 Vi AV Vi Ro Ri Rout
Non−inverting amplifier RL Vo R2 R1 Vs RL Vs R1 R2 Vi AV Vi Ro Ri Rout
Non−inverting amplifier RL Vo R2 R1 Vs RL Vs R1 R2 Vi AV Vi Ro Ri Rout
Non−inverting amplifier RL Vo R2 R1 Vs RL Vs R1 R2 Vi AV Vi Ro Ri Rout
Non−inverting amplifier I′ I2 I1 RL Vo R2 V′ V′ −Vi R1 R1 R2 Vs Vi AV Vi Ro Ri AV Vi
Non−inverting amplifier I′ I2 I1 RL Vo R2 V′ V′ −Vi R1 R1 R2 Vs Vi AV Vi Ro Ri AV Vi
Non−inverting amplifier I′ I2 I1 RL Vo R2 V′ V′ −Vi R1 R1 R2 Vs Vi AV Vi Ro Ri AV Vi
Non−inverting amplifier I′ I2 I1 RL Vo R2 V′ V′ −Vi R1 R1 R2 Vs Vi AV Vi Ro Ri AV Vi
Non−inverting amplifier I′ I2 I1 RL Vo R2 V′ V′ −Vi R1 R1 R2 Vs Vi AV Vi Ro Ri AV Vi
RL Vs RL Vs Vs Rin Rout
RL Vs RL Vs Vs Rin Rout
RL Vs RL Vs Vs Rin Rout
RL Vs RL Vs Vs Rin Rout
Vs RL Rs Vi Vo AV Vi Ro Ri
Vs RL Rs Vi Vo AV Vi Ro Ri
buffer 2 load amplifier buffer 1 source
RL Vs Rs Vi AV Vi Ro Ri Vo i1 i2 Vo1 Vo2
buffer 2 load amplifier buffer 1 source
RL Vs Rs Vi AV Vi Ro Ri Vo i1 i2 Vo1 Vo2
buffer 2 load amplifier buffer 1 source
RL Vs Rs Vi AV Vi Ro Ri Vo i1 i2 Vo1 Vo2
buffer 2 load amplifier buffer 1 source
RL Vs Rs Vi AV Vi Ro Ri Vo i1 i2 Vo1 Vo2
buffer 2 load amplifier buffer 1 source
RL Vs Rs Vi AV Vi Ro Ri Vo i1 i2 Vo1 Vo2
Vi3 Vi2 Vi1 RL Vo Rf R3 R2 R1 i3 i2 i1 i ii if
Vi3 Vi2 Vi1 RL Vo Rf R3 R2 R1 i3 i2 i1 i ii if
Vi3 Vi2 Vi1 RL Vo Rf R3 R2 R1 i3 i2 i1 i ii if
Vi3 Vi2 Vi1 RL Vo Rf R3 R2 R1 i3 i2 i1 i ii if
Vi3 Vi2 Vi1 RL Vo Rf R3 R2 R1 i3 i2 i1 i ii if
Vi3 Vi2 Vi1 RL Vo Rf R3 R2 R1 i3 i2 i1 i ii if
1.2 0.6 −0.6 −1 −2 −3 1 2 3 4 t (msec)
Vi3 Vi2 Vi1 RL Vo Rf R3 R2 R1 SEQUEL file: ee101 summer.sqproj R1 = R2 = R3 = 1 kΩ Rf = 2 kΩ → Vo = −2 (Vi1 + Vi2 + Vi3) i3 i2 i1 i ii if Vi2 Vi1 Vi3 Vo
1.2 0.6 −0.6 −1 −2 −3 1 2 3 4 t (msec)
Vi3 Vi2 Vi1 RL Vo Rf R3 R2 R1 SEQUEL file: ee101 summer.sqproj R1 = R2 = R3 = 1 kΩ Rf = 2 kΩ → Vo = −2 (Vi1 + Vi2 + Vi3) i3 i2 i1 i ii if Vi2 Vi1 Vi3 Vo
1.2 0.6 −0.6 −1 −2 −3 1 2 3 4 t (msec)
Vi3 Vi2 Vi1 RL Vo Rf R3 R2 R1 SEQUEL file: ee101 summer.sqproj R1 = R2 = R3 = 1 kΩ Rf = 2 kΩ → Vo = −2 (Vi1 + Vi2 + Vi3) i3 i2 i1 i ii if Vi2 Vi1 Vi3 Vo
2
R′
1
2
R′
1
1 = 10 k.
2
R′
1
1 = 10 k.
2
1
2 = 100 × 10 k = 1 MΩ
2
R′
1
1 = 10 k.
2
1
2 = 100 × 10 k = 1 MΩ
2 may be unacceptable from practical considerations.
2
R′
1
1 = 10 k.
2
1
2 = 100 × 10 k = 1 MΩ
2 may be unacceptable from practical considerations.
2
R′
1
Vo Vi R′
1
I1 V1 0 V Rin = R′
1 = 10 k.
2
1
2 = 100 × 10 k = 1 MΩ
2 may be unacceptable from practical considerations.
2
R′
1
Vo Vi R′
1
I1 V1 0 V Rin = R′
1 = 10 k.
2
1
2 = 100 × 10 k = 1 MΩ
2 may be unacceptable from practical considerations.
2, we will satisfy the gain condition.
I1 V1 I2 R1 R2 R3
I1 V1 I2 R1 R2 R3 I2 = V1 R3 + (R1 R2)
I1 V1 I2 R1 R2 R3 I2 = V1 R3 + (R1 R2) I1 = R2 R1 + R2 I2 = R2 R1 + R2 × R1 + R2 R3(R1 + R2) + R1R2 V1
I1 V1 I2 R1 R2 R3 I2 = V1 R3 + (R1 R2) I1 = R2 R1 + R2 I2 = R2 R1 + R2 × R1 + R2 R3(R1 + R2) + R1R2 V1 Reff ≡ V1 I1 = R1R2 + R2R3 + R3R1 R2
I1 V1 I2 R1 R2 R3 I2 = V1 R3 + (R1 R2) I1 = R2 R1 + R2 I2 = R2 R1 + R2 × R1 + R2 R3(R1 + R2) + R1R2 V1 Reff ≡ V1 I1 = R1R2 + R2R3 + R3R1 R2 → Choose R1, R2, R3 such that Reff = R′
2 = 1 MΩ.
I1 V1 I2 R1 R2 R3 I2 = V1 R3 + (R1 R2) I1 = R2 R1 + R2 I2 = R2 R1 + R2 × R1 + R2 R3(R1 + R2) + R1R2 V1 Reff ≡ V1 I1 = R1R2 + R2R3 + R3R1 R2 → Choose R1, R2, R3 such that Reff = R′
2 = 1 MΩ.
Vo Vi R′
2
Vo Vi R2 R′
1
R′
1
R1 R3
Vo Vi R′
2
Vo Vi R2 R′
1
R′
1
R1 R3 Reff = R1R2 + R2R3 + R3R1 R2 We want Reff = R′
2 = 1 MΩ.
Vo Vi R′
2
Vo Vi R2 R′
1
R′
1
R1 R3 Reff = R1R2 + R2R3 + R3R1 R2 We want Reff = R′
2 = 1 MΩ.
Vo Vi R′
2
Vo Vi R2 R′
1
R′
1
R1 R3 Reff = R1R2 + R2R3 + R3R1 R2 We want Reff = R′
2 = 1 MΩ.
Vo Vi R′
2
Vo Vi R2 R′
1
R′
1
R1 R3 Reff = R1R2 + R2R3 + R3R1 R2 We want Reff = R′
2 = 1 MΩ.
Vo Vi R′
2
Vo Vi R2 R′
1
R′
1
R1 R3 Reff = R1R2 + R2R3 + R3R1 R2 We want Reff = R′
2 = 1 MΩ.
Vo Vi R′
2
Vo Vi R2 R′
1
R′
1
R1 R3 Reff = R1R2 + R2R3 + R3R1 R2 We want Reff = R′
2 = 1 MΩ.
Ref: Wait et al, Introduction to op-amp theory and applications, McGraw-Hill, 1992.
Vo Vi R′
2
Vo Vi R2 R′
1
R′
1
R1 R3 Reff = R1R2 + R2R3 + R3R1 R2 We want Reff = R′
2 = 1 MΩ.
Ref: Wait et al, Introduction to op-amp theory and applications, McGraw-Hill, 1992.
Vo Vi 10 k 10 k 102 Ω 10 k