741 opamp 분석및 시뮬레이션

목차

1. 741opamp 동작원리 (책 내용 분석)
1. 회로도
2. 트랜지스터 각단 특징
3. 바이어스 point
4. 입, 출력 저항
5. 이득, 주파수 응답, 슬루율
6. 바이어스 (시뮬레이션)
7. 주파수 특성 (시뮬레이션)
8. 비교

2. 실제 741opamp 특성 시뮬레이션
1. CMRR
2. SR( 슬루율 )
3. Offset Voltage & Current

3. 741 opamp 응용 시뮬레이션
1. 반전증폭기
2. 비반전증폭기
3. voltage Follower

본문내용

하자면
IC5=aie , Q5, Q6에 베이스가 묶여있으므로 컬렉터 신호는 같음 IC6=aie
==>io=2aie
Gm1=io/vi = a/(2re)
re=2.63kΩ, a=약1이라면 Gm1= 0.2mA/V
Ro1은 Q6콜렉터 단자에서 거꾸로 들여다 보았을때 보이는 저항Q3, Q4가 가상접지처럼 되므로 Ro=ro[1+gm(RE//rⅡ)]
RE=re=2.63kΩ, re=VA/I, RⅡ를 무시하면 Ro4=10.5MΩ
Ro6는 Q6의 컬렉터를 들여다본 저항,역시 거의 가상접지처럼 되므로 RE=RS, Ro6=6.7MΩ
==> Ro1=Ro4//Ro6 = 6.7MΩ
②둘째단
입력저항:
Ri2=(β16+1)[re16+R9//(β17+1)(re17+R8)]에 의해
Ri2= 4MΩ
트랜스 컨덕턴스 :
ic17=αvb17/(re17+R8)
vb17=vi2(R9//R17)/((R9//Ri17)+re16)
Ri17= (β17+1)(re17+R8)
Gm2= ic17/vi2 = 6.5mA/V
출력저항 :
Ro2=(Ro13B//Ro17)
Ro13B=ro13B = 9.09kΩ
RS= Ro17//Ro13B = 81kΩ
③출력단
A2=Vi3/Vi2=-Gm2Ro2*Rin3/(Rin3+Ro2)
Q23의 이미터 저항 = Q2의 입력저항// Q13A의 출력저항 = 100kΩ//280kΩ= 74Ω
Rin3= β23 * 74kΩ (β=50, Rin3= 3.7MΩ)
==>A2= -515V/V
Gvo3= Ro/Ro2|RL=무한대=1
R023= Ro2/(β23+1)+ re23 (R02=81K, β23= 50, re23= 25/0.18= 139)
==>R023=1.73kΩ
Rout= R023/(β20+1)+re20
＊출력 단락 회로의 보호
여러 가지 원인에 의해 출력단자가 쇼트 된다면 많은 양의 전류가 흐르고 소자가 타 버릴수 있다. 그러나 741등의 많은 ic경우에는 이러한 상황을 막기 위한 보호회로가 내장되어있다.
한쪽에서 많은 전류를 끌어올리려면 다른 쪽에서 전류를 제한시키는 메케니즘을 통해서 최대전류를 제한하게 된다.
5. 이득, 주파수 응답, 슬루율
①이득
Rl=2kΩ 이고, v0/vi=vi2*v02*v0/(vi*vi2*v02)
= -Gm1(R01//Ri2)(-Gm2R02)Gv03RL/(RL+Rout)
A0= -476.1*(-526.5)*0.97= 243.147V/V = 107.7dB
②주파수 응답
부귀환 캐패시터를 30pF 달아 내부적으로 보상함
밀러정리에 의해 Cin= Cc(1+|A2|)
책 등가회로를 참조한다면 A2=-512이고 Cin=15480pF이 나오므로 dominant
Rt= (R01//Ri2) = (6.7MΩ//4MΩ) = 2.5MΩ
dominant pole로 fp= 1/(2*Cin*Rt)= 4.1Hz
GB= A0*f3dB== 243147*4.1= 약 1MHz
③슬루율
슬루율은 입력에 대한 출력의 반응 시간을 나타냄
Gm1=2/(4re), re=VT/I, Gm1=I/(2VT), wt=I/(2CcVT), wt= SR/(4VT)
SR= 4VTwt = 4* 25* 10^-3* 2Ⅱ* 10^6 = 0.63V/us
Ⅱ 실제 741opamp 특성 시뮬레이션
(회로도는 분석 용이를 위해 실험책 회로도 참고)
1. CMRR
회로도
시뮬레이션
①동상 입력
( ※출력이 너무 작게 나와 입, 출력을 따러 plot하였음)
입력: 1Vp_p , 출력: 317uVp_p
ACM=317 / 1= 317uV/V
② 차동입력
회로도
시뮬레이션
입력: 1Vp_p , 출력: 10Vp_p
Ad= 10/1 = 10V/V
데이터
계산과정
결과값
CMRR
10 / 317u = 31547V/V
90dB 약 무한대
datasheet 비교
90dB
2. SR( 슬루율 )
사각펄스 입력
회로도
시뮬레이션
데이터값
계산과정
결과값
△v
-2.69V
△t
5.65us
SR
2.69 / 5.65
0.47V/us
datasheet 비교
0.5V/us
3. Offset Voltage & Current
offset voltage 회로도
offset current 회로도
①Offset Voltage데이터값
계산과정
결과값
v0
79.97mV
v0s
V0/(1+R2/R1)
72.7mV
datasheet 비교
1 15mV
②Offset Current
데이터값
계산과정
결과값
V1
-7.952mV
V2
-7.972mV
IB1
IB1=V1/R1
-7.52nA
IB2
IB2=V2/R2
-7.992nA
Ios
|(IB1-IB2)|
71.528nA
datasheet 비교
20nA~200nA
Ⅲ 741 opamp 응용 시뮬레이션
1. 반전증폭기
: -입력단에 신호를 넣으면 R1과 R3의 비에 따라서 증폭이득을 결정할수 있고
출력단에 증폭된 신호가 반전되어 나오게 된다. 이득: -(R3/ R2)
회로도
시뮬레이션
입력: 1Vp_p, 출력: 10Vp_p
-R3/ R1 = -10 (배) , 출력이 반전됨을 plot을 통해 알수 있다
2. 비반전증폭기
: +입력단에 신호를 넣으면 R1과 R3의 비에 따라서 증폭이득을 결정할수 있고
출력단에 증폭된 신호가 반전되어 나오게 된다. 이득: (R3/ R2 +1)
회로도
시뮬레이션
입력: 1Vp_p, 출력: 2Vp_p
(R3/ R1+1) =2 (배) , 출력이 비반전됨을 plot을 통해 알수 있다
3. voltage Follower
:입력이 모두 출력으로 나오는 전압이득이 1인 버퍼이다.
버퍼의 특성으로 입력 임피던스가 매우높고 출력임피던스가 매우큰 아주유용한 회로이다
회로도
시뮬레이션
입력: 1Vp_p, 출력: 1Vp_p
출력이 입력을 따라가는 voltage buffer 역할을 함을 plot을 통해 알수 있다.
7. 주파수 특성
회로도
시뮬레이션
8. 비교
책에서의 741시뮬레이션은 할수 없었다. 왜냐하면 소자파라미터 중 Q13, Q14, Q20은 표준형이 아니지만 소자가 없었기에 표준형을 썼고 그에따라 값들이 다르게 나왔기 때문이다. 이로인해 바이어스 전류 전압, 저항 기타 소자 값 등이 모두 달라지게 된다. 따라서 분석을 위해 책에 있는 바이어스 값들 및 기타 가정 사항을 식에 넣어 계산을 해보고 분석해보았다.

키워드

741 opamp,   pspice,   시뮬레이션,   요약정리,   전자회로