계측용 증폭기와 브리지 회로 (예비보고서)

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계측용 증폭기와 브리지 회로 (예비보고서)에 대한 보고서 자료입니다.

본문내용

V4 는 DC 성분만 인가시켜주며 그 크기는 5V 이다. U3C 에는 Negative 단자로 입력전압이 들어가기 때문에 출력 전압은 반전되어 나온다. U3C의 입력은 결과적으로 U3C는 V3의 전압과 V4 의 전압의 차가 된다. 여기에서 U3C는 V3와 V4의 차를 증폭시키는 회로로 동작하게 되며 입력을 계산하면 차동성분이득(Adm)은 = V4-V3=5-(5+0.05sin(2π×100t))=-0.05sin(2π×100t), Vo = (1+2×49.5) (-0.05sin(2π×100t)) = -5sin(2π×100t), 이므로은 100V/V가 된다.
(3) 실험(1) 의 회로를 수정하여 다음의 회로를 구성하라. 이 때, V5 는 VSIN 을 이용하고, 5sin(2π × 100t) V 로 하라.
(4) Time Domain Analysis 를 수행하여, V5 를 하나의 그래프에 출력하고, U3C 의 출력전압을 별도의 그래프에 출력하라. 시뮬레이션 결과로부터 동상성분 이득을 구하라. 또, CMRR 을 구하라.
시뮬레이션 수행 결과
⇒ 모든 Op Amp 는 이상적이지 않기 때문에, 동상성분에 대해 약간의 증폭작용을 한다. 이 때의 동상모드의 제거 비를 CMRR (Common Mode Rejection Ratio) 라 하는데 20log() 으로 구한다. 물론 동상성분에 대한 이득이 작으면 작을수록 CMRR은 커지고, 더 좋은 증폭기의 성질을 갖는다. 시뮬레이션 결과 동상성분에 대한 이득 은 ≒ 0.000024 V/V 이고. 따라서 CMRR = 20log() = 20log() ≒ 132.4dB 이다.
(5) 위 그림의 회로에서 R5 를 39㏀에서 41㏀ 로 변화시키면서 U3C 의 출력 전압의 변화를 구하라. 또, CMRR 의 변화를 구하라.
시뮬레이션 수행 결과(Start: 39k, End: 41k, Increment: 100 -> Parameter sweep)
⇒ R5=39kΩ
Adm = 100, Vcm = Acm*V5, Acm = ==0.0251
CMRR = 20*log10()=20*log10()=72.01
R5=41kΩ
Adm = 100, Vcm = Acm*V5, Acm = ==0.0241
CMRR = 20*log10()=20*log10()=72.4
동상성분에 대한 이득의 변화를 구하는 시뮬레이션이다. 그림의 회로에서 R4, R5, R6, R7 는 동상이득을 조절하는 매우 중요한 역할을 한다. 만약 R4, R5의 비와 R6, R7 의 비가 같으면(R5가 40kΩ일 때) Balanced Bridge 상태로 동상성분에 대한 이득이 0, 즉 CMRR이 무한대가 되어 이상적인 상태가 된다. 여기서는 R5 의 저항을 변화시켰는데 40㏀에서 멀어질수록 출력전압은 높아지게 되고 동상성분에 대한 이득 Acm이 증가하여 CMRR 의 크기가 감소하게 된다.
(6) 위 그림의 회로를 다음과 같이 수정하라. 이 때, V6 는 VAC 를 사용하고 진폭은 3mV 로 하라.
⇒ Orcad 프로그램을 이용하여 그린다.
(7) AC Sweep Analysis 를 수행하여 이득의 주파수 특성을 구하라. 이 때, Sweep 주파수는 100Hz부터 1MHz 까지 하고, Points 는 10000 으로 하라. 전압이득의 dB magnitude 와 Phase 를 각각 별개의 그래프로 출력하라. 위 증폭기의 3dB 대역폭을 구하라.
⇒ 주파수를 100Hz부터 1MHz 까지 증가시키면서 전압이득의 데시벨과 위상을 구하는 시뮬레 이션이다. 또, 차단주파수를 구할 수 있는데, 차단주파수는 3dB 까지의 해당하는 주파수이다. 시뮬레이션 결과 차단주파수는 약 60KHz 로 나왔다. 대역폭은 100Hz부터 60KHz 까지 이다.
(8) angl_dev.olb library를 추가하라. 다음의 회로를 구성하라. 이때, V1은 VAC로 하고 크기는 3mV로 하라. 위의 (7)에서와 같이 AC Sweep Analysis를 수행하라. R1을 1kΩ, 10kΩ으로 바꾸고 반복하라. R1의 증가에 따른 이득 및 대역폭의 변화를 비교 관찰하라.
⇒ R1 = 100Ω -> 대역폭 : 100Hz ~ 15.403KHz
⇒ R1 = 1kΩ -> 대역폭 : 100Hz ~ 139.927KHz
⇒ R1 = 10kΩ -> 대역폭 : 100Hz ~ 637.089KHz
⇒ AD620/AD 는 계측용 증폭기로 3번 단자에 인가되는 전압과, 2번 단자에 인가되는 전압 의 차에 대해 증폭시키는 증폭기이다. 그림의 회로에서는 R1 값에 의해 출력전압이 영 향을 받는데, 저항이 클수록 출력전압이 작아져 전압이득은 작아지나, 대역폭은 커진 것 을 알 수 있다. 시뮬레이션 결과로부터 1번과 8번에 연결되는 저항이 클수록 주파수에 대한 전압이득이 더 오래 유지된다.
(9) 다음의 회로를 구성하라. Parameter Sweep으로 Time Domain Analysis를 수행하라. R3의 값을 9kΩ에서 11kΩ으로 변화시키면서 U1의 출력전압의 변화를 출력하라. 이때, Performance Analysis를 이용하라. 또, R3의 값을 1kΩ에서 50kΩ사이에서 변화시키면서 반복하라.
⇒ R3 의 값을 9㏀에서 11㏀ 으로 변화시킬 때, U1 의 출력전압의 변화.
⇒ R3 의 값을 1㏀에서 50㏀ 으로 변화시킬 때, U1 의 출력전압의 변화.
⇒ R4 와 R6 사이의 전위를 V1, R2 와 R3 사이의 전위를 V2 라 하면 V1 - V2 에 대해 증폭시키는 회로이다. 위 회로에서 V1 는 양쪽의 저항의 크기가 같으므로 항상 0.05V 이다. 그런데 R3 를 변화시키면 R2 와 R3 사이의 전위가 변한다. 만약 R3 가 10㏀ 이 하이면, V1 > V2 이므로 출력 전압은 양의 값을 가지며, R3 = 10㏀ 이면, V1 - V2 = 0 이 되어 출력 전압은 0이다. 또 R3 > 10㏀ 이상이면, V1 < V2 이므로 출력 전압은 음의 값을 가진다. 시뮬레이션 결과 약 11㏀ 까지는 저항과 출력 전압과의 관계가 거의 선형성을 가지나 그 이후의 저항에 대해서는 변화율이 감소하기 시작해 R3 > 31㏀에서 는 저항에 상관없이 출력 전압이 일정한 값을 가진다.

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