전자회로 실험 opamp기본원리

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전자회로 실험 opamp기본원리에 대한 보고서 자료입니다.

본문내용

다. 두 입력이 출력으로 나타난 다는 것을 보았기 때문이다. 오차는 한 부분에서 13.636%로 나타나서 약간 큰 오차가 났지만 이것 역시 OP앰프의 내부저항과 연결된 소자와 도선의 영향, 그리고 전압원이 여러개 쓰인 것을 고려하면 크게 문제가 될 오차라고 판단되지 않는다.
1. 제목
1) 실험1 : 반전 증폭기
1) 실험2 : 비반전 증폭기
1) 실험3 : OP앰프 가산기
2. 이론
1) OP앰프란?
OP앰프는 가장 널리 쓰이는 아날로그 IC 이며, 이상적인 OP 앰프는 무한대의 이득과 입력 임피던스, 영의 출력 임피던스를 갖는데 실제의 OP앰프는 이상적인 OP앰프에 근사한 특성을 갖는다. 이번 실험에서는 이상적인 OP앰프의 기본원리를 알아보기 위하여 OP앰프를 입력 및 출력단자를 지닌 블록으로 보고 OP앰프 내부의 전자 디바이스는 고려하지 않는다. 외부회로와의 연결을 위해 두 개의 입력단자, 한 개의 출력단자, +, -의 전원단자가 꼭 있어야 하며 그라운드 단자는 없으며 외부에 ±dc 전원을 인가할 때 자연히 결정된다, 증폭기는 두 개의 입력전압 v+와 v-에 의해 구동된다. 두 입력단자는 각각 비반전 입력과 반전 입력이다. 이상적인 경우 증폭기의 출력 은 다음과 같이 두 입력전압의 차 와 개루프이득 G의 곱에 의하여 결정된다.
여기서 이다.
이상적인 OP앰프의 특성은 다음과 같다.
1. 입력저항,
2. 출력저항,
3. 루프 전압이득
4. 대역폭
5. 일 때
보인 것처럼 OP앰프의 이득이 매우 크기 때문에 그대로는 안정된 증폭기로 사용할 수 없고 반드시 외부 귀환을 걸어서 사용한다. 이의 대표적인 예가 다음에 설명하는 반전 증폭기과 비 반전 증폭기이다.
2) 반전 증폭기
Op앰프를 이상적이라고 가정한다면 다음 그림과 같이 (-) 단자에 input 전압을 입력시키고, (+) 단자에 ground를 접지시킨 회로를 반전 증폭기라고 부른다. 이상적인 op amp일 경우 출력전압이 유한한 값을 가지려면 OP앰프의 양단 전압이 0이어야하고 반전 단자는 그라운드 전위를 가지게 된다. 이 때 반전단자는 가상접지(virtual ground)되어있다고 말한다. 그리고 입력단자에서 amp로 유입되는 전류는 0이며 따라서 흐르는 전류는 두 저항에서 똑같이 흐르게 된다. 따라서 반전 증폭기의 이득 A를 다음과 같이 구할 수 있다.
3) 비반전 증폭기
다음의 그림과 같이 (+) 단자에 입력전압, (-) 단자에 ground 접지를 한 증폭기를 비반전 증폭기라고 한다. 이상적인 OP앰프를 가정하면, 이 된다. 이 비반전 증폭기의 이득은 다음과 같다. 이상적인 Op amp라는 전제하에 입력 임피던스는 이며 출력 임피던스는 0이다. 비반전 증폭기는 입력 임피던스가 무한대이고 출력 임피던스가 0이기 때문에 완전한 전압 증폭기로 동작한다. 이것은 입력 임피던스가 무한대이기 때문에 증폭기가 자신을 구동시키는 회로의 부하가 되지 않음을 의미하며, 출력 임피던스가 0이기 때문에 증폭기가 작은 저항부하도 전압이득의 감소 없이 구동시킬 수 있다는 것을 의미한다.
4) OP앰프 가산기
다음 그림은 두 개의 입력전압, n개의 입력전압을 갖는 Op amp이다. 출력전압은 다음 식에 의해 결정된다. 모든 저항 값이 같다면, 출력 전압 가 되며 입력 저항 값이 같고 출력 저항 값이 다른 값이면 결과는 이득을 갖는 반전 가산기가 될 것이다.
3. 시뮬레이션 결과 및 분석
1) 실험1 : 반전 증폭기
1) 반전 DC 증폭기
DC 증폭기 회로도
시뮬레이션 결과
분석 : 다음의 회로는 반전 DC증폭기 이다. (-)단자에 전압원이 연결되어있고 이것이 feedback 되므로 반전 증폭기라는 것을 알 수 있다. 이것을 통하여 이 된다는 것을 알 수 있다. 그리고 시뮬레이션 결과를 통하여도 그것을 확인할 수 있다.
2) 반전AC증폭기
반전AC증폭기 회로
시뮬레이션 결과 -주파수 응답
시뮬레이션 결과 - RF=100KΩ, f=1KHz
분석 : 반전 AC증폭기회로를 설계하였는데 이것은 주파수에 따라서 얼마나 출력 전압이 바뀌는지 확인하는 것이다. 우선 반전증폭기이므로 (-)단자에 입력전압이 들어가게 하였다. 주파수응답 시뮬레이션을 보면 주파수에 따라서출력되는 전압을 확인할 수 있는데 저주파에서는 주파수가 증가함에 따라 크게 변화하지 않고 10V대의 출력을 유지하다가 10-100KHz대역에서 급격하게 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이때 공명이 일어났다고 판단된다. 그리고 그 이후에는 출력이 급격하게 감소하여 0에 가까워지는 것을 알 수 있다. 옆의 그림은 시간변화에 대한 RF=100KΩ, f=1KHz일때의 그래프이다. 의 식과 더불어 그래프를 통하여 반전회로이고 이득이 10배가 되는 것을 알 수 있다.
2) 실험2 : 비반전 증폭기
1) 비반전 DC 증폭기
비반전DC 증폭기 회로도
시뮬레이션 결과
분석 : 다음은 비반전 직류 회로인데 이것은 전압원이 (+)단자에 연결이 되어있는 것이다. 이것으로써 비반전 회로임을 알 수 있고 출력은 이 됨을 알 수 있다.
2) 비반전 AC 증폭기
비반전 AC증폭기 회로도
시뮬레이션 결과
분석 : 비반전 AC증폭기도 (+)단자에 전압원이 연결되어있는 것이고 이에 따라서 비반전된 출력이 되는 것이다. 다음의 식을 통하여 이득이 2라는 것을 알 수 있고 이 또한 그래프에서 나타난거와 같이 2배로 증가한 출력을 확인할 수 있다.
3) 실험3 : OP앰프 가산기
OP앰프 가산기 회로도
시뮬레이션 결과
분석 : 다음의 가산기는 입력에 2개 이상의 전원이 들어가는 것으로써 여기서는 2개의 전압원이 입력되었다. 이를 통해 다음 가 된다는 것을 알 수 있다. 이 식을 통하여 시뮬레이션을 돌려본 결과 이득이 -3이 나와서 원하는 결과가 나올 것이라고 판단된다.
4. Design project
1) 설계회로도 및 시뮬레이션 결과
분석 : 디자인 프로젝트의 회로를 다음과 같이 설계하였다. 원하는 조건을 만족하는 소자값을 설정하여 맞춰나가면서 시뮬레이션을 돌려본 결과 출력값이 대략 5가 나온다는 것을 확인하였다. 이것을 통하여 다음의 결과를 얻을 수 있었다.
DC sweep 회로도
시뮬레이션 결과

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전자공학실험,   반전 증폭기,   비반전 증폭기