1. Learning outcomes

At the end of this lab, you will:

•   be able to produce a functioning operational amplifier circuit by combining different stages.

•   be  aware  of problems  and  challenges  to  meet  a  specification  for  designing  and characterising an operational amplifier.

2. Objectives

It is required to design an operational amplifier with the aid of Multisim software to satisfy the following design specifications:

a)  Differential input impedance greater than 100 kΩ .

b)  Voltage gain (that is, ‘open loop gain’) greater than 500,000.

c)   Output impedance less than 1 kΩ .

d)  Output voltage to be approximately zero volts for zero input.

e)  Frequency response down to dc (0 Hz).

f)   Supply voltage 9 V.

g)  Total current consumption not greater than 5 mA.

3. Introduction

This experiment requires you to design and simulate an operational amplifier circuit. A practical integrated circuit version (e.g. a 741 type) would in addition contain a ‘push pull’ output  stage  and  extra  components  to  provide  further  temperature  and  supply  variation immunity.

4.2. Part II: Achieving the specification of the operational amplifier [35 Marks]

Objective: To  build  the  complete  operational  amplifier  circuit  and  obtain  the  required specification.

Start now building the complete circuit of the operational amplifier (see the given ‘tutorial’ lecture for ELEC271 on Canvas).

Procedure:

• Task-1 [5 Marks]: Combine the required  stages to build  a  complete  operational amplifier in Multisim.

Hint: Match the differential amplifier and common emitter stages with an emitter follower stage, make the Rin(EF)  ~ 10Ro(D)ut(A) .

• Task-2 [5 Marks]: Connect a signal source to one input and connect the other input to ground. Obtain the transfer characteristics of your amplifier by performing a DC Sweep from –9 V to +9 V. Identify the useful input voltage range from your plot. You will need to narrow the sweep range to achieve an accurate useful range.

• Task-3 [5 Marks]: Find the open loop gain (Aol) of the amplifier from the useful range in the above step.

• Task-4 [5 Marks]: Determine  the  required  dc  voltage  offset  from  the  transfer characteristic. Use this value to help balance the amplifier - you can apply a small dc offset to  one  of the  inputs to try to  centre the  output  close to  zero  volts. Hint: Alternatively, you could use the technique mentioned in the lecture notes to obtain Aol which would also give you the dc offset.

• Task-5 [5 Marks]: Obtain a set of input/output waveforms (in useful range) from a Transient simulation, and from which, calculate the gain of the amplifier. Verify that the specification has been met. Record your results.

• Task-6 [5 Marks]: Perform a Transfer Function simulation. Check the value of the gain and compare it to the value from your calculations and the value you found in Task-5. Check the values of the input and output impedance and compare them to your calculated values.

• Task-7 [5 Marks]: Place a few voltage, current, and power probes on different points of your schematic diagram (power probes should be placed on a component). Run an Interactive  simulation  and  observe the voltage,  current,  or power  showing by the probes.

Hint: You  can  double  click on  each probe  and  on the Parameters tab  select the parameters that you want to be shown by the probe.

4.3. Part III: Obtaining the frequency response of the designed amplifier [10 Marks] Objective: To obtain the gain and phase Bode plots of the designed amplifier.

Now, obtain the frequency response of the designed amplifier by determining the gain and phase Bode plots.

Procedure:

• Task-1 [5 Marks]: You can find the frequency response of the amplifier by performing an AC Sweep simulation. In AC Sweep page in Analysis and Simulation window, on the Output tab, add the output voltage from the left panel to the Selected variables for analysis on the right panel (placing a voltage probe at the output makes it easier to find the output node in the list of variables). To draw the frequency response as Bode plots, on the Frequency parameters tab,  select  Sweep type: Decade  and  Vertical  Scale: Decibel.

You can also obtain the frequency response of the other parameters, like the input impedance. In the AC Sweep page, on the Output tab, click on Add expression button. In the Expression field, write an expression for the input impedance in form of V/I. For example, if you have named your input signal source as V1, the expression for input impedance would be V(1)/I(V(1)).

• Task-2 [5 Marks]: Add a phase compensating capacitor (say 30 pF or any suitable value) between the collector of the common emitter stage and the base of the first emitter follower. Investigate the effect on the Bode plots. Copy the graphs and record your findings.

4.4. Bonus Part: Response to common-mode signal

Investigate the response of your amplifier to common-mode signals.

5. General questions

a)  What can you deduce about the stability of your amplifier from the Bode plots in Part III?

b)  What is the purpose of the ‘Phase compensating capacitor’?

6. Report writing guidelines for Experiment 5

•   This experiment is assessed by means of a formal report. Use the formal report template (available on Canvas) to write your report. The idea behind this report is to document your experience and technical findings in this experiment.

•   In your ‘Results’ section, include the following:

-     All your findings and measurements along with a copy of all schematic diagrams and all simulation results. Make sure to comment on each result and simulation.

-     The table shown overleaf (Table I) with your own results. Make sure to write relevant comments in the fourth column.

•   In your ‘Discussions and Conclusions’ section include the following:

-     Describe any problems you have experienced while carrying out both experiments and explain your problem-solving methods that you have followed.

-     Include the answers to the general questions (Section 5 above).

-     Does your designed op-amp achieve the specification? If not, explain the reasons.

• Important: Make sure that all of your figures (schematic diagrams and simulation results) are clear and all the numbers on the figures are readable.

Table I. Design specifications table

7. Report marking scheme

The report has 20 marks of the module. It will be marked out of 100% and then the mark will be scaled to 20%. The pre-lab test has 5 marks of the module.

The report marking scheme is as follows:

•   Results of Part II (calculations, schematics, screenshots, etc.) with explanation and comments: 35 Marks

•   Results of Part III (calculations, schematics, screenshots, etc.) with explanation and comments: 10 Marks

•   The design specifications table with comments: 24 Marks

•   Discussions and Conclusions section (including answers to the general questions of Section 5): 26 Marks

•   Overall report presentation: 5 Marks

Note: High marks require very good comments and explanations.

8. Plagiarism and Collusion

Plagiarism  and  collusion  or  fabrication  of data  is  always  treated  seriously,  and  action appropriate to the circumstances is always taken. The procedure followed by the University in all cases where plagiarism, collusion or fabrication is suspected is detailed in the University’s Policy for Dealing with Plagiarism, Collusion and Fabrication of Data, Code of Practice on Assessment, Category C, available on:

https://www.liverpool.ac.uk/media/livacuk/tqsd/code-of-practice-on-

assessment/appendix_L_cop_assess.pdf

Follow the following guidelines to avoid any problems:

a)  Do your work yourself.

b)  Acknowledge all your sources.

c)  Present your results as they are.

d)  Restrict access to your work.

References

[1] S Hall, Lecture notes-Module ELEC271, 2015.

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