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DesignReferenceAugust 2002Advanced Analog ProductsSLOD006B
IMPORTANT NOTICETexas Instruments Incorporated and its subsidiaries (TI) reserve the right to make corrections,modifications, enhancements, improvements, and other changes to its products and services atany time and to discontinue any product or service without notice. Customers should obtain thelatest relevant information before placing orders and should verify that such information is currentand complete. All products are sold subject to TI’s terms and conditions of sale supplied at thetime of order acknowledgment.TI warrants performance of its hardware products to the specifications applicable at the time ofsale in accordance with TI’s standard warranty. Testing and other quality control techniques areused to the extent TI deems necessary to support this warranty. Except where mandated bygovernment requirements, testing of all parameters of each product is not necessarily performed.TI assumes no liability for applications assistance or customer product design. Customers areresponsible for their products and applications using TI components. To minimize the risksassociated with customer products and applications, customers should provide adequate designand operating safeguards.TI does not warrant or represent that any license, either express or implied, is granted under anyTI patent right, copyright, mask work right, or other TI intellectual property right relating to anycombination, machine, or process in which TI products or services are used. Informationpublished by TI regarding third party products or services does not constitute a license from TIto use such products or services or a warranty or endorsement thereof. Use of such informationmay require a license from a third party under the patents or other intellectual property of that thirdparty, or a license from TI under the patents or other intellectual property of TI.Reproduction of information in TI data books or data sheets is permissible only if reproductionis without alteration and is accompanied by all associated warranties, conditions, limitations, andnotices. Reproduction of this information with alteration is an unfair and deceptive businesspractice. TI is not responsible or liable for such altered documentation.Resale of TI products or services with statements different from or beyond the parameters statedby TI for that product or service voids all express and any implied warranties for the associatedTI product or service and is an unfair and deceptive business practice. TI is not responsible orliable for any such statements.Mailing Address:Texas InstrumentsPost Office Box 655303Dallas, Texas 75265Copyright 2002, Texas Instruments Incorporated
ForwardEveryone interested in analog electronics should find some value in this book, and an effort has been made to make the material understandable to the relative novice while nottoo boring for the practicing engineer. Special effort has been taken to ensure that eachchapter can stand alone for the reader with the proper background. Of course, this causesredundancy that some people might find boring, but it’s worth the price to enable the satisfaction of a diversified audience.Start at Chapter 1 if you are a novice, and read through until completion of Chapter 9. AfterChapter 9 is completed, the reader can jump to any chapter and be confident that theyare prepared for the material. More experienced people such as electronic technicians,digital engineers, and non-electronic engineers can start at Chapter 3 and read throughChapter 9. Senior electronic technicians, electronic engineers, and fledgling analog engineers can start anywhere they feel comfortable and read through Chapter 9. Experiencedanalog engineers should jump to the subject that interests them. Analog gurus shouldsend their additions, corrections, and complaints to me, and if they see something thatlooks familiar, they should feel complimented that others appreciate their contributions.Chapter 1 is a history and story chapter. It is not required reading for anyone, but it definesthe op amp’s place in the world of analog electronics. Chapter 2 reviews some basic physics and develops the fundamental circuit equations that are used throughout the book.Similar equations have been developed in other books, but the presentation here emphasizes material required for speedy op amp design. The ideal op amp equations are developed in Chapter 3, and this chapter enables the reader to rapidly compute op amp transferequations including ac response. The emphasis on single power supply systems forcesthe designer to bias circuits when the inputs are referenced to ground, and Chapter 4gives a detailed procedure that quickly yields a working solution every time.Op amps can’t exist without feedback, and feedback has inherent stability problems,so feedback and stability are covered in Chapter 5. Chapters 6 and 7 develop the voltagefeedback op amp equations, and they teach the concept of relative stability and compensation of potentially unstable op amps. Chapter 8 develops the current feedback opamp equations and discusses current feedback stability. Chapter 9 compares currentfeedback and voltage feedback op amps. The meat of this book is Chapters 12, 13, and14 where the reader is shown how design the converter to transducer/actuator interfacewith the aid of op amps.The remaining chapters give support material for Chapters 12, 13, and 14. Chapter 18was a late addition. Portable applications are expanding rapidly and they emphasize theneed for low-voltage/low-power design techniques. Chapter 18 defines some parametersin a new way so they lend themselves to low voltage design, and it takes the readerthrough several low voltage designs.i
Thanks to editor James Karki for his contribution. We never gave him enough time to dodetailed editing, so if you find errors or typos, direct them to my attention. Thanks to TedThomas, a marketing manager with courage enough to support a book, and big thanksfor Alun Roberts who paid for this effort. Thomas Kugelstadt, applications manager,thanks for your support and help.Also many thanks to the contributing authors, James Karki, Richard Palmer, Thomas Kugelstadt, Perry Miller, Bruce Carter, and Richard Cesari who gave generously of their time.Regards,Ron ManciniChief Editorii
ContentsContents1The Op Amp’s Place In The World . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-12Review of Circuit Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-12.1Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-12.2Laws of Physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-12.3Voltage Divider Rule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-32.4Current Divider Rule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-42.5Thevenin’s Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-52.6Superposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-82.7Calculation of a Saturated Transistor Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-92.8Transistor Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-103Development of the Ideal Op Amp Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-13.1Ideal Op Amp Assumptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-13.2The Noninverting Op Amp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-33.3The Inverting Op Amp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-43.4The Adder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-53.5The Differential Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-63.6Complex Feedback Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-73.7Video Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-93.8Capacitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-93.9Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-114Single Supply Op Amp Design Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-14.1Single Supply versus Dual Supply . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-14.2Circuit Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-34.3Simultaneous Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-84.3.1 Case 1: VOUT mVIN b . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-94.3.2 Case 2: VOUT mVIN – b . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-134.3.3 Case 3: VOUT –mVIN b . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-164.3.4 Case 4: VOUT –mVIN – b . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-194.4Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-225Feedback and Stability Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5.1Why Study Feedback Theory? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5.2Block Diagram Math and Manipulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5.3Feedback Equation and Stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5-15-15-15-6iii
Contents5.45.55.65.7Bode Analysis of Feedback Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-7Loop Gain Plots are the Key to Understanding Stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-12The Second Order Equation and Ringing/Overshoot Predictions . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-15References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-166Development of the Non Ideal Op Amp Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6.1Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6.2Review of the Canonical Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6.3Noninverting Op Amps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6.4Inverting Op Amps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6.5Differential Op Amps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7Voltage-Feedback Op Amp Compensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-17.1Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-17.2Internal Compensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-27.3External Compensation, Stability, and Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-87.4Dominant-Pole Compensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-97.5Gain Compensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-127.6Lead Compensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-137.7Compensated Attenuator Applied to Op Amp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-167.8Lead-Lag Compensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-187.9Comparison of Compensation Schemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-207.10 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-218Current-Feedback Op Amp Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-18.1Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-18.2CFA Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-18.3Development of the Stability Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-28.4The Noninverting CFA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-38.5The Inverting CFA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-58.6Stability Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-78.7Selection of the Feedback Resistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-98.8Stability and Input Capacitance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-118.9Stability and Feedback Capacitance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-128.10 Compensation of CF and CG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-138.11 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-149Voltage- and Current-Feedback Op Amp Comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9.1Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9.2Precision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9.3Bandwidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9.4Stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9.5Impedance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9.6Equation Comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .iv6-16-16-26-56-66-89-19-19-29-39-69-79-8
Contents10 Op Amp Noise Theory and Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-110.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-110.2 Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-110.2.1 rms versus P-P Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-110.2.2 Noise Floor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-310.2.3 Signal-to-Noise Ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-310.2.4 Multiple Noise Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-310.2.5 Noise Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-410.3 Types of Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-410.3.1 Shot Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-510.3.2 Thermal Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-710.3.3 Flicker Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-810.3.4 Burst Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-910.3.5 Avalanche Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-910.4 Noise Colors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-1010.4.1 White Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-1110.4.2 Pink Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-1110.4.3 Red/Brown Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-1210.5 Op Amp Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-1210.5.1 The Noise Corner Frequency and Total Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-1210.5.2 The Corner Frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-1310.5.3 Op Amp Circuit Noise Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-1410.5.4 Inverting Op Amp Circuit Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-1610.5.5 Noninverting Op Amp Circuit Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-1710.5.6 Differential Op Amp Circuit Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-1810.5.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-1810.6 Putting It All Together . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-1910.7 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-2311 Understanding Op Amp Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-111.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-111.2 Operational Amplifier Parameter Glossary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-211.3 Additional Parameter Information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-811.3.1 Input Offset Voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-811.3.2 Input Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-1011.3.3 Input Common Mode Voltage Range . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-1111.3.4 Differential Input Voltage Range . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-1111.3.5 Maximum Output Voltage Swing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-1211.3.6 Large Signal Differential Voltage Amplification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-1311.3.7 Input Parasitic Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-1311.3.8 Output Impedance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-1411.3.9 Common-Mode Rejection Ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-1511.3.10 Supply Voltage Rejection Ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-1511.3.11 Supply Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-16Contentsv
Contents11.3.1211.3.1311.3.1411.3.1511.3.16Slew Rate at Unity Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Equivalent Input Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Total Harmonic Distortion Plus Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Unity Gain Bandwidth and Phase Margin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Settling Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11-1611-1711-1811-1911-2212 Instrumentation: Sensors to A/D Converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-112.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-112.2 Transducer Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-612.3 Design Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-1112.4 Review of the System Specifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-1212.5 Reference Voltage Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-1212.6 Transducer Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-1312.7 ADC Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-1512.8 Op Amp Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-1512.9 Amplifier Circuit Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-1612.10 Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-2312.11 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-2312.12 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-2313 Wireless Communication: Signal Conditioning for IF Sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-113.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-113.2 Wireless Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-113.3 Selection of ADCs/DACs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-613.4 Factors Influencing the Choice of Op Amps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-1013.5 Anti-Aliasing Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-1113.6 Communication D/A Converter Reconstruction Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-1313.7 External Vref Circuits for ADCs/DACs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-1513.8 High-Speed Analog Input Drive Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-1813.9 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-2214 Interfacing D/A Converters to Loads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14.2 Load Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14.2.1 DC Loads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14.2.2 AC Loads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14.3 Understanding the D/A Converter and its Specifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14.3.1 Types of D/A Converters — Understanding the Tradeoffs . . . . . . . . . . . . . . . .14.3.2 The Resistor Ladder D/A Converter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14.3.3 The Weighted Resistor D/A Converter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14.3.4 The R/2R D/A Converter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14.3.5 The Sigma Delta D/A Converter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14.4 D/A Converter Error Budget . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14.4.1 Accuracy versus Resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14.4.2 DC Application Error Budget . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 614-714-7
Contents14.514.614.714.4.3 AC Application Error Budget . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-814.4.4 RF Application Error Budget . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-10D/A Converter Errors and Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-1014.5.1 DC Errors and Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-1014.5.2 AC Application Errors and Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-14Compensating For DAC Capacitance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-18Increasing Op Amp Buffer Amplifier Current and Voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-1914.7.1 Current Boosters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-2014.7.2 Voltage Boosters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-2014.7.3 Power Boosters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-2214.7.4 Single-Supply Operation and DC Offsets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-2215 Sine Wave Oscillators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-115.1 What is a Sine Wave Oscillator? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-115.2 Requirements for Oscillation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-115.3 Phase Shift in the Oscillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-315.4 Gain in the Oscillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-415.5 Active Element (Op Amp) Impact on the Oscillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-515.6 Analysis of the Oscillator Operation (Circuit) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-715.7 Sine Wave Oscillator Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-915.7.1 Wien Bridge Oscillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-915.7.2 Phase Shift Oscillator, Single Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-1415.7.3 Phase Shift Oscillator, Buffered . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-1515.7.4 Bubba Oscillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Op amps can’t exist without feedback, and feedback has inherent stability problems, so feedback and stability are covered in Chapter 5. Chapters 6 and 7 develop the voltage feedback op amp equations, and they teach the concept of relative stability and com-pensation of potentially unstable op amps. Ch
