Do u have sth 2 do with the op amp

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about operational amplifier , getting started document ,using a ECG project

本文参考及引用了多本TI、ADI技术人员的书籍及文档,由于时间仓促没有写参考文献。

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Do u have sth 2 do with the op amp

  1. 1. 运放跟我有个 关系?<br />Do U really have Sth 2 do with the Op Amp ?<br />EEICST 蓝求<br />
  2. 2. 我们将要面临什么样的挑战?<br />心电图仪(ECG)是一种极具挑战性的真实世 界应用,因为一个 0.15~2mVpp的心电信号(0.05Hz~100Hz)必须从远大于 它的50 Hz噪声(大于1.5Vpp)和很大的DC极化电势(电极差模信号,可至150mV)变化的环境中提取出来。<br />Deadline:7.22 23:59 PM<br />
  3. 3. 心电仪历史<br />
  4. 4. http://en.wikipedia.org/wiki/ECG<br />http://en.wikipedia.org/wiki/String_galvanometer<br /> An initial breakthrough came when Willem Einthoven, working in Leiden, Netherlands, used the string galvanometer that he invented in 1903.This device was much more sensitive than both the capillary electrometer that Waller used and the string galvanometer that had been invented separately in 1897 by the French engineer ClémentAder. Rather than using today's self-adhesive electrodes Einthoven's subjects would immerse each of their limbs into containers of salt solutions from which the ECG was recorded.<br /> Einthoven assigned the letters P, Q, R, S and T to the various deflections, and described the electrocardiographic features of a number of cardiovascular disorders. In 1924, he was awarded the Nobel Prize in Medicine for his discovery.<br />Willem Einthoven in 1906<br />
  5. 5. 1. 运算放大器入门指南<br />1.1 运算放大器简化内部结构<br />1.2 运算放大器规格、模型与选型<br />1.3 从 Dual Supply 到 Single Supply<br />1.4 运算放大器的一点点应用技巧<br />Ray Stata<br />In January of 1965 Analog Devices Incorporated (ADI) was founded by Matt Lorber and Ray Stata.<br />
  6. 6. 1.1 运算放大器简化内部结构<br />通过简化模型,可以帮我们理解一些运算放大器的参数和规格<br />
  7. 7. 1.2运算放大器规格、模型与选型<br />1.2.1 Input offset voltage<br />1.2.2 Input bias current<br />1.2.3 Input impedance<br />1.2.4 Slew Rate<br />1.2.5 IO Range、 RRIO<br />1.2.6 Gain-Bandwidth Product<br />1.2.7 PSRR<br />
  8. 8. 1.2.1 Input offset voltage<br />想象一下我们需要将一个2mVpp的DC~20MHz的信号放到到20Vpp,我们会遇到什么问题呢?OPA690典型VIO为0.25mV<br />
  9. 9. 1.2.2 Input bias current<br />想象一下,对于一个接有1MΩ源阻抗的同向单位增益缓冲器,如果IB为10nA,输入将造成多大误差?<br />IB = (IB+ + IB-)/2<br />IOS = IB+ − IB-<br />
  10. 10. 1.2.2 Input bias current<br />阳光直射时约为30uA输出,黄昏时约为0.03uA,月光下3000pA<br />我们可以使用OPA690吗?Ibc典型值为3uA,输入结果会是什么样呢?<br />
  11. 11. 1.2.3 Input impedance<br />电流反馈型运放如AD817、OPA691,反向输入端输入阻抗很低,限制其一些应用场合,例如上面的光电二极管I/V电路。<br />
  12. 12. 1.2.4 Slew Rate<br />Vom为运放能够输出信号的最大幅值,fs为信号频率,还记得公式的由来吗?运算放大器可以做比较器用吗?<br />1.2.5 IO Range、 RRIO<br /> 为什么会产生IO Range呢,rail to rail input 、 rail to rail output,or RRIO ?<br />1.2.6 Gain-Bandwidth Product<br />你的带宽去哪里了呢?示波器探头你怀疑了吗?<br />
  13. 13. 1.2.7 PSRR ---------电源的滤波退耦合非常重要<br />OP177 Ultraprecision<br />Operational Amplifier<br /> 往往我们最担心的就是1kHz至1Mhz频段的信号质量<br />
  14. 14. 1.3 从 Dual Supply 到 Single Supply<br />这是王老师的招儿!把“接地电阻”一分为二,阻值翻倍分别接到电源和地。直流误差可能成为新问题?!<br />
  15. 15. 大胆抛弃负电源吧,有时候太麻烦了#@!¥%……*<br />这种方法屡试不爽!<br />这种方法能够将你以前的双电源供电设计放大器电路轻易的转变成单电源供电电路。任何Op Amp 和 Ins Amp都是能够应用于电源供电场合,所谓的Single supply的涵义是,低功耗、低电压、RRIO等指标,表示该器件更适合用于单电源场合。<br />
  16. 16. 1.4 运算放大器的一点点应用技巧<br />1.4.1 AC耦合和接地返回的问题<br />1.4.2 程控增益放大器设计<br />1.4.3 制作衰减器时不能忽略的2pF输入电容<br />
  17. 17. 1.4.1 AC耦合和接地返回的问题<br />开关打开<br />开关闭合<br />
  18. 18. 不就是一个隔直电容吗?怎么就饱和了呢>_<###<br />电容越好越悲剧……<br />隔直电容漏电流越小越快饱和!!!CBB不行!独石不行!电解居然“好了”!<br />当使用放大器电路时出现的一个最常见的应用问题是缺乏为放大器的输入偏置电流提供 一个 DC返回路径。这通常发生在当放大器的输入是容性耦合时。图中示出这样一个电路。这里,输入偏置电流快速对电容器 C1 充电直到 仪表放大器的输出“极端”,达到电源电压或地电位。 <br />还有另一个问题!!!<br />地方<br />电阻值的选择是在失调误差和电容值之 间的一个折衷。输入电阻越大,由于输入失调电流引起的输入失调电压越大。失调电压漂移也会增加。 当 R2 选用较低的电阻值时,C1 必须使用越高的输入电容值以提供相同的-3 dB 转折频率。<br />
  19. 19. 1.4.2 程控增益放大器设计<br />也有单片集成PGA,例如:TI公司 PGA1XX,VCAXXX,ADI公司 AD526、AD625等。个人觉得,音频段高性能的PGA较少;频率较高时,集成PGA性能更佳。<br />
  20. 20. 1.4.3 制作衰减器时不能忽略的pF级输入电容<br />我的带宽到哪里去了!!!线的问题,运放?@#¥%…&*<br />减小电阻值,但输入阻抗变小了,矛盾……<br />
  21. 21. 2. 仪表放大器入门指南<br />2.1 仪表放大器的基本原理<br />2.2 仪表放大器的应用技巧<br />2.3 仪表放大器还能用在哪啊!?<br />
  22. 22. 2.1 仪表放大器的基本原理<br />仪表放大器有时被错误地理解。不是所有用于仪器仪表的放大器都是仪表放大器,并且所有的仪表放大器决不只用于仪器仪表。<br />仪表放大器用于许多领域,从电动机控制到数据采集以及汽车系统。<br />
  23. 23. 2.1.1 仪表放大器与运算放大器的区别是什么?<br />拉帕戈斯群岛上的大海龟。达尔文发现,它们甲壳上不同 的形状和花纹是解开不同物种如何形成之谜的一把钥匙。 <br />
  24. 24. 你发现了仪表放大器和运算放大器的区别了吗?<br />
  25. 25. 2.1.2 信号放大与CMR<br />实际应用当中,我们通常需要抑制共模DC电压或者两输入端共模的任何其它频率成分的电压,同时,放大差分信号电压,即两输入端的之间的电压差。<br />简而言之,就是趋利避害!<br />
  26. 26. 我们如何评价我们放大系统“趋利避害”的程度呢?<br />很显然,是共模抑制(CMR)<br />共模抑制(CMR)是指抵消任何共模信号(两输入端电位相同)同时放大差模信号(两输入端的电位差)的特性,这是对于需要从伴有共模信号的信号源中提取差模信号的放大器所需要提供的最重要的功能。<br /> DC 和交流(AC)CMR 两者都是仪表放大 器的重要技术评价指标。<br />
  27. 27. 如果共模抑制能力不够大,将会带来什么问题呢?<br />如果DC CMR不够大,输出信号将伴随有直流成分,有可能导致后级的放大电路饱和。<br />但可以通过在后级电路添加运算电路将直流成分减去。<br />Loadcell Application<br />如果 AC CMR 不够大,会产生一种很大的时变误差。因为它通常随着频率产生很大变化。<br />所以要在放大器系统的输出端消除它往往是相当困难的。<br />ECG Application<br />
  28. 28. 让我们来量化这种评价体系!<br />CMR 通常是在给定频率和规定不平衡源阻抗 条件下(例如,60 Hz 频率,1 kΩ不平衡源阻抗) 对满度范围共模电压(CMV)的变化规定的。<br />共模抑制比(CMRR)是指AD与ACM之比。数学上,CMRR 可用下式表达:<br />AD是放大器差模增益。<br />ACM是放大器差模增益。<br />VCM是呈现在放大器输入端的共模电压。 <br />VOUT是当共模输入信号施加到放大器时呈现的输出 电压。 CMR 是 CMRR 的对数表达形式,即:<br />CMR = 20Log10 CMRR <br />
  29. 29. 基于上述评价体系,<br />什么样的放大器系统才能够获得更高的评价呢?<br />想法V1.0:<br />共模电压与信 号电压一起被传送到输出端。实际上,信号通过运 算放大器的闭环增益被放大而共模电压仅得到单位增益。这种在增益方面的差异确实能按照信号电压 的百分比对共模电压提供一些衰减。<br />然而,共模电压依然出现在输出端并且它的存在降低了放大器的有效输出范围。<br />
  30. 30. 我们可以使用差分放大电路啊?<br />想法V2.0:<br />虽然这一电路提供了更好的共模抑制功能,但它也有些缺陷。 同相输入端和反相输入端阻抗相当低而且不相等。在这一例子中反相输入阻抗等于Rd, 而同相输入阻抗等于反相输入阻抗的两倍,即 2 Rd。<br />这种输入阻抗的不平衡会降低电路的 CMRR。<br />
  31. 31. 我们是否可以改进差分放大电路啊?<br />想法V2.1:<br />显著改进简单减法器电路性能的一种明显的方 法是在其前端增加高输入阻抗的缓冲放大器。 <br />然而,信号源的输出幅度往往非常小,作为紧接信号源的放大电路,尽可能的提高增益倍数有助于提高放大系统的信噪比。<br />
  32. 32. 不就是增加放大倍数吗?这我也知道!<br />想法V2.2:<br />提高增益倍数后,放大器系统的信噪比得到了提高。然而,这个时候,我们遇到了一个人机接口问题:<br />图中的Rg与R4是留给用户调节增益的电阻,为了保证放大器系统在设计初期望的高共模抑制能力,用户需要接入两个阻值、温度特性尽可能相近的电阻以。显然,我们暂时的经济实力只能购买1%精度的电阻器,并且由于电路板布局原因,难以保证两只电阻器具有同样的温度特性。<br />
  33. 33. 巧妙而简单的改进往往引起电路的质的飞跃!<br />想法V3.0:<br />该电路提供了用户体验方面更进一步的改进,并且 已经成为仪表放大器设计最流行的结构!<br />
  34. 34. 我们是不是忽略了什么问题呢?<br />引申:使用多个运放和电阻器搭建仪表放大器是否可取?<br />例如,当R1=R2=10kΩ是,使用1%(p)的电阻,E约为4p=0.04,利用公式计算得: CMRRdB=33.98dB。<br />
  35. 35. 其实,仪表放大器还有很多种形式!<br />基于双运放的仪表放大器<br />它有一个显著的优点,即它仅需要两个运算 放大器而不需要三个,从而使它节省了成本和功耗。 然而,双运放仪表放大器电路的非对称结构会导致 几个缺点,与三运放仪表放大器相比最显明显的缺 点是降低了 AC CMR,从而限制了该电路的应用性。 <br />INA321(TI BB公司)<br />AD627(ADI公司)<br />
  36. 36. 基于基于镜像电流源的仪表放大器<br />INA326(TI BB公司)<br />Low power,Better<br />than the INA321 in AC CMR!<br />Related Products<br />
  37. 37. 2.2 仪表放大器的应用技巧<br />2.2.1 电源旁路,退耦和稳定性问题?<br />2.2.2 共模电压范围问题?<br />2.2.3 如何减小接地环路?<br />2.2.4 真实世界的RF Iinterfere越来越多!@#¥%<br />
  38. 38. 2.2.1 电源旁路,退耦和稳定性问题?<br />电源解耦是一个经常被工程师忽视的重要细 节。通常,旁路电容器(典型值为 0.1 μF)连接在 每个 IC 的电源引脚和地之间。<br />尽可能接近电源引脚,不超过2mm,并且就近接地。对于更高的电源要求时,可以考虑增加电感组成π型滤波器<br />
  39. 39. 2.2.2 共模电压范围问题?<br />AreU sure It will work!?<br />粗心的设计工 程师经常忽视的一个问题是,仪表放大器工 作在高增益时,其共模电压范围(CMV)降低!!!<br />
  40. 40. 2.2.3如何减小接地环路?<br />星型接地的结构<br />
  41. 41. 2.2.4真实世界的RF Iinterfere越来越多!@#¥%<br />但是,一个经常被忽视的潜在问题是仪表放大器内部的射频(RF)整流。当有很强的RF干扰存在时,它可能被IC整流之后会表现为DC输出失调误差。发生RF整流是因为,即使最好的仪表放大器在20 kHz以上的频率条件下事实上没有CMR能力。很强的RF信号首先被仪表放大器的输入级整流,然后表现为DC失调误差。一旦被整流,其输出端的低通滤波怎么也不能去除这个误差。如果RFI是断续性的,这会导致无法检测的测量误差。这在诸如Load cell等直流检测应用中尤为重要!<br />
  42. 42. 2.3 仪表放大器还能用在哪啊!?<br />医用仪器 仪表放大器广泛用于医用设备,例如心电图仪 和脑电图仪、血压计以及除颤器。 <br />监测和控制电子设备 差分放大器可用于监测系统中的电压和电流并 且当超过正常值后触发报警系统。由于差分放大器 具有抑制高共模电压的能力,因此它们经常用于这 类应用。 <br />音频方面的应用 由于仪表放大器具有高 CMR,所以有时将它们 用于音频方面(例如传声器前置放大器),用于提取 噪声环境中的微弱信号以及最大限度减小由于接地 环路引起的失调电压和噪声<br />视频方面的应用 在许多视频和电缆射频(RF)系统中都使用高 速仪表放大器用来放大或处理高频信号。 <br />Load cell ……<br />
  43. 43. 3. 重走诺贝尔奖之路<br />3.1 基于Ins_Amp与Gen_Opa模块的心电电路设计<br />3.2 屏蔽电缆及心电导联的设计<br />
  44. 44. 3.1 基于Ins_Amp、Gen_Opa模块的心电电路设计<br />
  45. 45. 3.1.1 简易人体心电模型及右腿驱动电路原理<br />右腿驱动电路能够给人体提供一个稳定的参考电压,同时抑制50Hz工频干扰信号。是心电放大器中一个非常关键而重要的部分。<br />
  46. 46. 3.1.2 带宽限制电路原理<br />Fc = ???<br />由于人体体表的极化电动势的影响,导致心电波形的基线漂移,增加高通滤波器以稳定基线。<br />这就是瞿老师常说的,反馈环路是积分环节,正向通路就是微分环节;反之亦然,反馈环路是微分环节,正向通路就是积分环节。<br />
  47. 47. 虽然我们可以使用Filter Solutions设计滤波器,自己动手推导传递函数还是会让我们受益匪浅的~<br />fc = 100Hz的低通滤波器<br />VF1 = ???<br />高通电路和低通电路组成了带通滤波器,通频带0.05Hz~100Hz。有图为带通滤波器的幅频和相频相应曲线,通过TINA仿真获得。<br />
  48. 48. 3.1.3 看看王老师给我们画的PCB长什么样?<br />仪表 放大器模块电路原理图<br />
  49. 49. 这个板子很有用!<br />通用运算放大器模块电路原理图<br />
  50. 50. 3.1.4 接下来,我们可以开始安装电路了<br />Step1:先安装仪表放大器电路和底板,设置电源接口,使用记号笔或者标签纸标记正负极;<br />Step2:连接电源,将信号发生器输入到放大器的同相端,反相端接地,连接示波器观看输出波形;<br />Step3:卸下仪表放大器电路板,在底板上安装一阶高通滤波器,然后插入仪表放大器电路板。接入信号源进行调试。<br />Step4:安装运算放大器电路板,插入底板,接入信号源进行联调。<br />
  51. 51. 科学而逻辑的调试方法会让我们事半功倍!<br />一些小细节:<br />1.电源接口设计一般为左正右负;<br />2.安装电源指示灯方便指示电路工作情况(低功耗场合去掉);<br />3.高通电路使用跳线和开关选择是否接入仪表放大器Vref端,方便比较高通电路接入前后的效果;<br />4.电源增加滤波电容,降低电源纹波;<br />5.底板安装四个支撑柱,防止短路。<br />
  52. 52. 两个人的心电样本<br />原来不同人的心电波形是可以很不同的!!!<br />TDS 1002B 示波器可以选择存储图像和采样点数据,通过MATLAB可以进行进一步的数字信号处理,希望大家使用全存储功能,保留一份心电数据,等到宋明聪学长上课时,用他的滤波器再把波形弄干净些!!<br />
  53. 53. 3.2 屏蔽设计及心电导联的设计<br />问题:<br />50Hz/60Hz交流电干扰,如何设计屏蔽电缆从而尽可能减小由心电导联在空间中的拾取的50Hz交流噪声?(心电导联屏蔽网只能减小通过空气耦合到导联上的50Hz工频干扰,而不能减小通过人体连接大地获取的50Hz工频干扰。)<br />
  54. 54. 3.2.1 为什么要这样设计屏蔽驱动电路呢?<br />非零源电阻和分布电缆电容模型<br />由于电缆分布电容的关系, CMRR(共模抑制比)随频率升高而变坏。实际上,由于时间常数Rs1C1和Rs2C2可能是不相同的,在Vcm中的任何波动都会产生不规则的RC网络信号起伏波动,或者说 ,据此形成一个差分误差信号,然后IA放大该误差信号并在输出端重现。这代表在CMRR(共模抑制比)上的变坏。由于RC不平衡产生的CMRR是:<br />
  55. 55. 3.2.2 好了!让我们开始动手吧。<br />
  56. 56. (*^__^*) ……就这么简单!<br />感谢刘鬯的鳄鱼夹想法,相当好用!<br />只需要单股屏蔽线1m、双股屏蔽线1m ,鳄鱼夹3个,BNC接插件3套,我们便可以获得一套心电导联了!<br />
  57. 57. “我们不缺乏工具,而是缺乏发明工具的想象力和使用工具的智慧,书籍是我们获取知识的快捷途径!”<br />4. 人和猩猩的区别<br />4.1 TINA PRO 8、 Filter solution 7.20 简介<br />4.2 参考书籍介绍<br />
  58. 58. 4.1 TINA PRO 8、 Filter solution 7.20 简介<br />TINA PRO 8!Not the function limited TINA TI<br />
  59. 59. A software even quicker then the KFC、McDonald’s!<br />Filter solution 7.20 <br /> See this ? <br />自己动手设计滤波器吧~<br />
  60. 60. 4.2 参考书籍介绍<br />
  61. 61. It’s mygreat honor to give all of u this speech, <br />thanks for listening!<br /> What I always strongly believe is that ,there is variety of in the world have something to do with a excellent engineer!<br />It’s a good dayto ECG, 07.21.2010!<br />
  62. 62. 心电项目验收方案<br />基本部分:<br />(1)通过示波器正常显示组员心电波形;<br />(2)鼓励自己设计滤波器和选择单电源供电的方案;<br />(3)将DC/DC模块和心电电路板固定到牢固底板上;<br />发挥部分:<br />(1)使用MSP430片上ADC采集心电电路板输出信号,使用液晶显示心电波形;<br />(2)能够通过键盘调节显示波形的X、Y轴分辨率<br />(3)为本课程提供反馈意见,发送至billyevans3@gmail.com,最快完成基本部分和发挥部分的小组将获得一块价值¥99的TI 官方高速DAC评估板一套,第二名将获得精密PGA评估板一套,第三名将获得VCA820 官方评估板一套!快来领取!!!!<br />Deadline:7.22 23:59 PM<br />
  63. 63. 我是广告!<br />《我们都是小青年》珍藏毕业纪念册及明信片,限量发售1000册,包含了基地元素哦~~~ 欢迎垂询!<br />

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