계측용 증폭기와 브리지 회로

소개글

계측용 증폭기와 브리지 회로에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 사전 지식
2. 실험 절차
3. 문제
4. 분석 및 토의

본문내용

절차1의 결과를 시뮬레이션 결과와 비교하라.
측정값
오차율[%]
입력전압
182mV
1.11
R9양단
60mV
0
출력전압
5.71V
4.83
차동이득
95.1V/V
4.9
[첨두치]
측정값
오차율[%]
입력전압
4.96V
0.8
출력전압
45.2mV

동상이득
0.009V/V
0.9
시뮬레이션 결과의 차동 이득은 100V/V로 이론값과 일치한다. 하지만 우리가 실험해서 구한 값은 95.1V/V로 시뮬레이션과 4.9%오차율을 보인다. 또한 시뮬레이션에서의 동상이득은 V/V이고 실제 실험해서 구한 동상이득은 0.009V/V로 그 오차율은 49900%로 매우 크다. 왜냐하면 동상이득은 본래 이론값이 0이기 때문에 이론값과의 오차율을 구하면 시뮬레이션이나 실험값모두 무한대가 되기 때문에 이론값과 가까운 시뮬레이션과 실험값을 비교했으므로 오차율은 매우 클 수 밖에 없다. 이러한 오차를 줄이려면 원시적으로는 오차가 작은 저항을 이용하는 것이 원칙일 것이다. 아니면 각 resistance balance를 맞추기 위해 가변저항으로 저항을 정확하게 조절하여 R7/R6 와 R5/R4 값을 거의 같게 한다면 좀 더 높은 CMRR을 얻을 수 있을 것이다.
(2) 실험절차1의 회로에서 사용한 저항들의 저항값의 불균형 정도를 계산하고, 이에 의한 CMRR의 감쇄 정도를 추정하라. 실험절차 1에서 측정한 CMRR과 비교하라.
-가변저항이 0kΩ일 경우 -가변저항이 2kΩ일 경우
측정값
입력(V6)
420mV
출력전압
14.7V
차동이득
99V/V
동상이득
0.025V/V
측정값
입력(V6)
420mV
출력전압
14.4V
차동이득
99.3
동상이득
0.024V/V
-최대 CMRR은 실험절차1의 실험결과 CMRR = 80.48dB 이다.
가변저항이 0kΩ일 경우에는 CMRR이 (80.48-71.95)=8.53dB 만큼 감소하였고, 가변저항이 2kΩ일 경우에는 CMRR이 8.15dBakszma 감소하였다. 두 경우 모두 CMRR은 감쇄하였지만 가변저항이 2kΩ인 경우의 CMRR이 덜 감소한 것을 알 수 있다. 저항값의 불균형정도는 , 를 이용하여 구하면 가변저항이 0일 때에는 0.025 = (38.96/(38.96+38.96)) = /2 이므로 =0.05가 되고 가변저항이 2kΩ일 때에는 0.024 = /2 이므로 = 0.048이 된다. 그러므로 가변저항이 2kΩ일 때에 이 0에 더 가까우므로 CMRR의 감쇄정도가 더 적고, 이득의 오차율도 더 적은 것을 알 수 있다.
(3) 실험절차2에서 얻은 최대의 CMRR과 시뮬레이션 결과를 비교하라.[첨두치]
시뮬값
오차율[%]
입력전압
5V
0
출력전압
90uV

동상이득
V/V

[첨두치]
측정값
오차율[%]
입력전압
4.96V
0.8
출력전압
45.2mV

동상이득
0.009V/V

시뮬레이션에서는 이상적인 동상이득(0V/V)에 가깝게 V/V로 계산되었고 실험값에서 얻은 동상이득은 그 보다 큰 값인 0.009V/V로 얻어졌다. 시뮬레이션과 달리 실험값에서 얻어진 출력전압의 크기가 매우 커서 시뮬레이션에 대한 실험값의 오차율은 50122%가 된다. 이 값은 물론 시뮬레이션의 값이 매우 작아서 이기도 하지만, 근본적인 이유는 본래 이상적인 출력전압이 0이기 때문에 오차율이 무한대로 가기 때문이기도 하다. 이와 비슷하게 동상이득도 마찬가지로 49900%의 오차율을 가진다. 이 오차율이 매우 큰 이유도 동상이득은 출력전압으로 구해지기 때문에 출력전압의 오차율이 매우 크게 계산된 이유와 같다고 할 수 있다.
(4) 실험절차4의 결과를 시뮬레이션과 비교하라.
시뮬레이션에서는 R3가 10kΩ일 때 출력전압이 0V로 되어 결국 CMRR은 무한대가 된다. 우리가 실험한 결과도 CMRR이 무한대가 된다. 본래 실험적인 출력전압은 0V보다 조금 큰 값이 측정될 것이다. 0V보다 조금 큰 값을 예로 들어 CMRR을 비교해보면 출력전압이 0.1mV일 경우에 Acm=0.0001/0.1=0.001V/V이 된다. 이렇게 되면 우리가 실험에서 구한것 처럼 CMRR이 무한대로 가지않게 되어 고정된 값을 얻을 수 있다. R3=3.55kΩ일 때 출력이 10V이므로 이 때의 차동이득 Adm=100V/V이 된다. 그러면 R3=3.55lkΩ일 경우의 CMRR을 구하면 20log(100/0.001)=100이 된다.
4. 분석 및 토의
이번에도 역시 의용전자2에서 배운 내용을 복습하면서 실험할 수 있었다. 하지만 수업시간에도 어려웠던 Transducer Bridge는 역시 실험을 분석을 하면서도 어려움이 많았다. 책을 보면서 출력 전압의 식을 유도해 회로분석을 하면서 회로분석도 중요하지만 resistance balance와 error factor인 도 그에 못지않게 중요한 것을 알았다. 왜냐하면 지금은 회로를 분석하고 실험하는 단계이지만 나아가서는 우리가 회로를 설계해야 하기 때문이다. 아마 이번 실험에서 배운 회로들은 생체계측때에도 유용하게 쓰일 것이라 생각한다. 왜냐하면 아직 제대로 배우진 않았지만 우리 생체신호를 읽어들일 때에 작은 생체신호를 왜곡을 최소화하여 증폭시켜주어야 하기 때문이다. 이번 실험에서 Triple-Op-Amp IAs에서 이득을 구할 때 A를 AⅠ(first-stage gain)과 AⅡ(second-stage gain)으로 나누어 고려하는 방식이 좀 생소했다. 아마도 각각의 gain은 외부 저항비에 따라 값이 달라지게 되어서 따로 고려해주어도 되는 것이라고 생각한다.
전반적으로 실험은 Instrumentation amplifier의 특징을 확인해보고, resistance balance의 균형, 불균형 정도에의해 CMRR이 어떠한 영향을 받는지를 알아보는 실험이었던 것 같다. 실험 중 가장 까다로웠던 점은 저항비를 맞추는 일이었다. 제대로 저항을 측정하여 회로를 구성하긴 했지만, 가변저항의 조절부분을 손으로 건드리는 일이 많아 자꾸 저항의 값이 변해 여러번 조정을 하여 실험을 해야 했다. 회로 분석에만 그치는 것이 아니라 실제 설계할 때 도움이 될 CMRR이나 저항의 불균형 정도를 이해할 수 있었던 이번 실험은 이론적으로나 경험적으로 매우 중요한 실험이었다고 생각한다.

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계측용 증폭기,   브리지 회로,   브릿지 회로