센서와 신호증폭

소개글

센서와 신호증폭에 대한 보고서 자료입니다.

본문내용

직류전압이 걸릴 경우를 상정해 계산하면 V+에 걸리는 전압을 전지의 기호로 쓰고 있지만 실제로는 전지를 잇는 것은 아니고 단자에 어떠한 직류 전압을 가하는 것을 의미하고 있다. 우선 입력저항 R1에 흐르는 전류를 구한다.
이 저항의 양단에는 Vi와 V-의 전압이 걸려 있으므로
IR1 = (Vi - V-) / R1
의 전류가 흐르며 이 전류는 V- 단자로부터 출력 단자로 흐르므로 출력 단자에는
Vo = V-- IR1R2
의 전압이 발생하는데 가상 쇼트가 성립되고 있으므로 V- = V+를 대입하면
출력전압은 Vo = V+- (R2 / R1) (Vi - V+)가 된다.
이 식은 [V+를 기준으로 한 Vi의 전압을 (R2 / R1)의 증폭도로 증폭해 출력 하지만 출력에는 V+의 오프셋전압이 더해저 있다] 는 것을 의미한다. 때문에 입력의 전위차를 증폭하는 차동증폭기로서 사용하는데는 문제가 있다고 말할 수 있다
또한 전압 관계로 해석의 식에 V+= 0을 대입해도 이 회로의 동작은 간단하게 구해진다.
□ 비반전증폭기
△비반전증폭기의 동작
반전 증폭기는 전압을 증폭하지만 출력전압은 입력 전압과 반대의 극성을 갖게 된다. 그러나 비반전 증폭기는 전압을 역전 시키는 일 없이 설정한 증폭도에 따라 증폭해 주며 반전 증폭기와 다른 특징을 가지고 있다.
반전증폭기의 오프셋 회로를 보면 출력이
Vo = V+ - (R2 / R1) (Vi - V+)
로 여기에 V I = 0 을 대입해 보면
Vo = V+ (1 + (R2 / R1))
이 된다. 이것이 비반전 증폭기의 동작이다.
비반전 증폭기도 반전 증폭기처럼 저항의 비로 증폭도를 설정 할 수 있지만 1이상의 증폭도 밖에 설정 할 수 없다. 반전 증폭기에서는 R2＜ R1 시에는 증폭도가 1보다 작기 때문에 증폭기가 아니고 감쇄기로 동작했지만 비반전 증폭기에서는 그러한 사용을 할 수 없다.
△입력 임피던스
비반전 증폭기의 입력 임피던스는 연산증폭기의 V+입력 단자의 입력 임피던스가 된다. 이것은 최악의 상태라해도 100kΩ이상 되며 비싼 것은 1TΩ(테라, 1012) 이상도 있어서 입력 임피던스를 매우 높게 할 수 있으므로 미약한 신호의 검출에는 비반전 증폭기가 많이 사용된다.
다만 비반전 증폭기의 입력임피던스를 너무 높게하면 개방 상태에서 외부 노이즈나 누설 전류의 영향을 쉽게 받을 수 있어서 좋지 않다. 그 때문에 범용 증폭기를 만들 때는 적당한 입력 저항을 그라운드와 병렬로 넣어 입력 임피던스를 설정 해 주게 된다.
여기에는 중요한 이유가 있다. 연산증폭기의 입력 단자에는 일반적으로 전류가 흐르지 않는다고 하지만 실제로는 입력 바이어스 전류라고 하는 매우 작은 전류가 흐른다. 입력회로에 사용한 연산증폭기라도 입력 바이어스 전류는 제로가 아니다.
이러한 입력 바이어스 전류는 연산증폭기 내부의 입력 트랜지스터를 동작 시키기 위해서 필요한 전류이므로 이 전류를 반드시 흘려주지 않으면 연산증폭기는 올바르게 동작해 주지 않는다. FET 입력의 연산증폭기에서는 바이어스 전류를 흘리지 않아도 일단 동작하지만 입력이 완전히 오픈 상태가 되면 노이즈나 오동작의 원인이 된다. 그 때문에 입력 단자에 그라운드와 병렬로 저항을 넣을 필요가 있으며 이 저항 값이 회로의 입력 임피던스가 되는 것 이다.
△동상입력 전압 범위
반전 증폭기에서는 보통은 V+를 0V에 고정하여 사용하며 가상쇼트가 성립되고 있으므로 V-의 전압도 거의 0V 이다. 그렇지만 비반전 증폭기에서는 V+는 입력 전압이고 가상쇼트가 성립되고 있으므로 V-도 V+와 함께 변동하여 입력전압과 같게 된다.
실은 연산증폭기 IC자체는 V+나 V-가 0V부근에 있을때 가장 좋은 성능이 나오도록 설계되어 있다. 또한 V+나 V-가 전원전압 부근에 있을때는 올바르게 동작해 주지 않는다. 특히 V+를 내리면 출력전압도 내려 가지만 마이너스 전원 근처에서는 반대로 출력전압이 상승한다이 때문에 연산증폭기가 정상적으로 동작하는 입력 전압의 범위가 결정되어 있으며 이것을 동상입력 전압범위(CMRR)라고 부르고 있다. 이것은 통상의 연산증폭기에서는 전원 전압 범위보다 2V정도 낮은 값입니다.
Rail-to-Rail 이라고 일컬어지고 있는 연산증폭기는 이 입력 전압 범위가 전원 전압까지 가능하며 출력전압도 전원 전압까지 출력 된다. 단전원 연산증폭기는 입력 전압범위를 마이너스전원 전압 또는 정전원 전압까지 확장해 건전지로 움직이는 시스템이나 디지탈 회로와의 인터페이스를 하기 쉽게 한 품종이다.
□ 발광다이오드(LED)
빛과 반도체는 많은 연관이 있으며 그것은 에너지의 전달이 양자 사이에서 직접 가능하기 때문이다．반도체 접합부에서 빛 에너지를 방출하는 발광 다이오드가 있으며, 역으로 반도체 접합부에 빛을 입사시키서 반도체에 흐르는 전류를 제어 할 수 있다
반도체에 특정한 불순물이 혼입되면 ｐｎ 접합에 순 방향 전류가 흐를 때 불순물의 종류에 따라 특정한 파장의 빛이 방출된다．이것을 이용한 것이 발광 다이오드이다．색상의 종류는 적색，녹색，황색이 주류이며 최근에는 청색 발광 다이오드가 개발되어 빛의 ３ 원색이 가능해저서 풀 컬러의 화상 표시가 가능해졌다
[발광다이오드 회로기로도]
4. 실험내용
(1)광센서 출력 측정
광센서의 수광부를 어두운 종이 등으로 가리며, 변하는 전압범위를 오실로스코프의 프루브에 연결하여 측정한다.
(2)연산증폭기를 이용하여 신호를 증폭
회로를 연결하여 R1과 R2를 적당한 값으로 조정하여 빛을 가렸을 때 센서의 출력을 3.8V되게하여 반전증폭기과 비반전증폭기로 실험한다.
(3)LED점멸실험
연산증폭기를 통해 입력된 센서증폭신호를 버퍼에 입력하고 버퍼의 출력단에 빛을 차단했을 때 점등되는 LED 점등회로를 구성한다.
5. 참고자료
1. 회로이론, 한경희외 공저, 형설출판사, 1991.2
2. 전기전자기초실험, 신정록외 공저, 한올출판사 1996.8
3. 전기회로, 최윤식외 공저, 의중당, 1996.2
4. 디지털전자회로, 김기남 저, 네트웍텔레콤 정보기술원, 1998.2
5. 집적회로, 이영훈 저, 상학당, 2002.9
6. 전자회로, 최성재외 공저, 상학당, 2000.1

키워드

센서,   신호증폭,   op-amp,   전자실험,   전자회로