기초회로실험 결과 리포트 9주차

목차

실험 7. Op-amp 증폭 실험

1. 실험진행

A. 반전증폭기

B. 비반전 증폭기

C. 가산기

D. 감산기

2. 오차의 원인

a. 저항기의 오차

b. 공급되는 전압의 유동성

c. 현실적인 op-amp

d. 이상적인 회로 구현의 어려움

e. 실험자의 실수

3. 확인문제

본문내용

a. 실험 분석
- 이론적인 전압이득 : 　
- 이론적인 전압이득은 위의 식과 같다. 그렇기 때문에 우리가 1[V]를 인가해 주었을 때 출력전압은 이므로, 각각 2[V], 2.8[V], 3.3[V]가 나온다는 것을 예상할 수 있었다.(비반전 증폭기이므로 출력전압은 입력전압과 위상이 동일하다) 실험 결과는 예상했던 값과 크게 다르지 않았으며, 이 실험을 통하여 우리는 비반전 증폭기의 역할에 대하여 실험적으로 확인해 볼 수 있었다.
b. PSIM 그래프
C. 가산기
(1) 가산 증폭기의 회로도를 결선 하라.
(, , , )
(2) 741에 전원을 공급하고, 출력전압을 구하여라.
<본 실험은 가산기의 역할을 확인하는 것이므로 직류전원을 인가하였다.>
(3) 저항 의 값을 바꾸어가며, 출력전압을 측정하고, 이론치로 계산한 값과 측정치로 구한 값을 표에 기록하라.
R2(㏀)
Vout max[V]
전압 이득(측정값)[V]
전압 이득(계산값)[V]
오 차[%]
1
-6.034
-1.006
-1
0.60
1.5
-9.081
-1.513
-1.5
0.86
2
-12.103
-2.017
-2
0.84
a. 실험 분석
-
- R2=1kΩ 일 때를 이론적으로 계산해보자.
- 출력 전압은 위와 같이 나타난다. 즉, 가산기 회로의 출력전압은 각 전압원을 독립적으로 놓았을 때의 출력전압을 대수적으로 더한 것과 같은 값을 지닌다. 전압의 증폭은 반전 증폭기와 마찬가지로 이다. 하지만 이 경우 전압원이 2개이기 때문에, 각각의 전압원이 증폭되고 더해진다는 것이 차이점이다.
- 직류 전압을 인가하였으므로, 출력파형도 직류로 나온다.
b. PSIM 그래프
D. 감산기
(1) 감산 증폭기의 회로도를 결선 하라.
(, , )
(2) 741에 전원을 공급하고, 출력전압을 구하여라.
(3) 저항 의 값을 바꾸어가며, 출력전압을 측정하고, 이론치로 계산한 값과 측정치로 구한 값을 표에 기록하라.
R2(㏀)
Vout max[V]
전압 이득(측정값)[V]
전압 이득(계산값)[V]
오 차[%]
1
-1.970
-0.985
-1
1.52
2
-3.960
-1.98
-2
1.01
3
-5.813
-2.907
-3
3.2
a. 실험 분석
-
- R2=1kΩ 일 때를 이론적으로 계산해보자.
- 출력 전압은 위와 같이 나타난다. 즉, 감산기 회로는 두 신호 크기의 차를 증폭하여 출력한다. 증폭은 이다. 교재에서는 3개의 전압원을 이용하여 감산기 회로를 구성하였지만, 우리는 전압원 2개만을 이용하여 감산기 회로의 역할을 확인해보았다.
- 직류 전압을 인가하였으므로, 출력파형도 직류로 나온다.
b. PSIM 그래프
2. 오차의 원인
a. 저항기의 오차
- 저항값들도 오차가 있다. 실험시에 지급받은 저항기의 색으로 저항값을 결정하였고 정확한 값을 측정하지는 않았다. 때문에 실제 저항값과 차이가 있었고, 그것을 고려하지 않고 실험을 진행하였기 때문에 실험값과 계산값 사이에 오차가 발생하였을 것이다.
b. 공급되는 전압의 유동성
- DC Power Suppy를 정확한 숫자에 맞추어 놓고 실험을 진행하였지만, 실험도중 잠깐씩 숫자가 변하는 것을 발견할 수 있었다. 기기가 표시할수 있는 범위는 0.1V까지 였기 때문에 그러한 현상이 자주 보이지는 않았지만 이를 통하여 0.1V 미만의 단위로는 지속적인 변화가 있었다는 것을 알 수 있다. 이 역시 계산값과 측정값의 오차 발생 요인으로 생각된다.
c. 현실적인 op-amp
- 이상적인 op-amp는 내부 저항이 ∞이므로 두 입력단자 사이에서는 전류가 흐르지 않는다. 하지만 현실적으로 내부저항이 ∞인 것은 불가능하므로 이것이 op-amp의 입력단자로 전류가 약간 흘 들어 갔을 것이다. 그리고 그것도 하나의 오차의 원인이 될 수 있다고 생각한다.
d. 이상적인 회로 구현의 어려움
- 이상적인 회로는 저항기를 제외한 나머지의 저항은 0이기 때문에 저항기 외에서의 전압강하는 일어나지 않는다. 또한 이상적인 실험환경에서는 온도나 습도 등의 요소들도 배제한다. 하지만 현실적으로 이것은 불가능하기 때문에 실험시의 측정값과 이론을 통한 계산값 사이에 오차가 발생하였다.
e. 실험자의 실수
- 실험은 사람이 하는 것이기 때문에 아무리 주의를 기울여 실험을 한다고 하지만 약간의 실수가 있을 수 있다. 한 가지 예로 우리가 전류를 측정할 때에도 미터기의 값이 조금씩 변하는 것을 확인할 할 수 있었다. 약간의 측정시의 떨림 같은 것이 오차를 가져온 것이라 생각한다. 다음 실험부터는 좀 더 세밀하게 실험에 임하도록 해야 하겠다.
3. 확인문제
Q1. 반전 증폭기, 비반전 증폭기 실험 결과를 통해 반전, 비반전 이름이 부여된 이유를 설명하라.
ans) 출력전압의 위상 때문이다. 실험에서 검증했듯이 반전 증폭기의 출력전압은 입력전압의 파형이 반전되어 나타나고, 비반전 증폭기의 출력전압의 파형은 입력전압의 파형과 동일하게 나타난다.
Q2. 반전 증폭 실험에서 저항 R1과 R2의 비용을 적절히 조절하면 수천배 이상의 증폭도 가능하다. 만약 1V를 입력하면 1000배 증폭되어 1000V의 출력이 나타날까?(OP-AMP는 이상적으로는 무한대의 증폭율을 가진다.) 만약 그렇지 않다면 이유를 설명하라.
ans) op-amp의 출력전압은 공급전압보다 높게 나올 수 없다. 왜냐하면 op-amp의 출력전압은 여러 가지 요소에 의해 제한을 받기 때문이다. 부하저항이 낮을 경우 출력전류에 의해, 주파수가 높아지면 S/R에 의해 전압제한을 받고, 공급 전압에 의해서도 제한을 받는다. 보통 op-amp는 공급전압으로 +15, -15[V]를 사용하므로 출력전압은 13[V] 이상 나오지 않는다.(내부의 TR, BIAS 때문에 공급전압 보다 작다) op-amp의 내부는 트랜지스터와 몇 개의 저항으로 연결 되어 있다. 실ㄹ제 op-amp의 출력원인은 입력 신호이지만 출력 신호의 실제 크기는 전원에 달려 있고, op-amp 내부의 트랜지스터가 증폭하는 것은 트랜지스터에 공급되는 전원보다 작은 소신호들이다. 소신호들이 증폭되는 것은 공급전원이 인가 되어서 이므로, 트랜지스터는 공급되는 전원보다 큰 크기의 신호를 생성해 낼수 없다.

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