실험보고서 - 연산증폭기[Operational Amplifie] 동작원리를 이해하고 그 특성을 측정

소개글

실험보고서 - 연산증폭기[Operational Amplifie] 동작원리를 이해하고 그 특성을 측정에 대한 보고서 자료입니다.

본문내용

통한 입출력 파형의 측정 결과 정확히 -1V/V의 Voltage gain을 얻을 수 있었다. 이것은 의 계산을 통한 gain의 크기와도 일치하는 결과이며 실험전 예비 simulaion을 통해 확인한 입출력 파형과도 일치하는 결과이다.
2) 정현파의 주파수를 바꾸어 가면서 OP-AMP 의 전압이득을 구하고, 이 값으로부터 OP- AMP의 3dB Bandwidth 를 구해보시오.
입력 정현파의 주파수를 바꿔가며 오실로스코프를 활용해 입력 Peak to Peak 전압과 출력 Peak to Peak 전압을 측정하고 그에 따른 각각의 전압이득을 의 식을 통해 dB단위로 계산해 보았다. 그 결과는 아래의 표와 같다.
주파수
출력전압 / 입력전압(Vpp)
전압이득(dB)
100Hz
1/1
0
1kHz
1/1
0
10k
1/1
0
100k
1/1
0
200k
1.3/1.48
-1.12636726
250k
1.14/1.48
-2.26713728
260k
1.1/1.48
-2.5773806
270k
1.08/1.48
-2.7367592
280k
1.06/1.48
-2.899117
285k
1.04.1.48
-3.06456752
290k
1.02/1.48
-3.23323087
300k
0.98/1.48
-3.58071279
500k
0.63/1.48
-7.41842332
주파수가 점점 증가할 때 처음에는 일정한 gain을 유지하다가 어느 순간부터 gain이 점차적으로 감소하는 것을 관찰할 수 있는데 이것은 회로내의 Capacitance가 주파수에 영향을 받기 때문이다. 이러한 결과에서 주파수가 3dB만큼 떨어지는 주파수, 3dB frequency를 찾을 수 있었는데 이 값은 약 285Khz였고, 이를 통해 실험에 사용된 OP-Amp의 3dB bandwidth는 약 285Khz임을 알 수 있었다. 또한 이러한 주파수 특성을 통해 아래와 같이 Bode plot을 그려볼 수 있었다.
3) 그림 3의 회로에서 R5 값을 1 kΩ, 으로 변환하고 위의 실험 1) 2)를 수행하시오. 이경우의 전압이득과 3dB Bandwidth 를 확인하고, 입력 저항값의 변화에 대한 영향을 조사하시오.
실험 전 Simulation
오실로스코프를 통해 측정한 결과파형(R5=1kohm)
위와 같은 회로에서 저항 R5값을 10Kohm에서 1Kohm으로 바꿔준 다음 오실로스코프를 통해 입출력 파형을 관찰해 보았다. 그 결과 위와 같이 입력에 대해 출력이 반전 증폭되는 결과 파형을 얻을 수 있었고, 전압이득을 계산해 보면 의 전압이득을 갖게 됨을 알 수 있다. 이것은 우리가 처음 예상했던 의 계산식과 simulation을 통해 예상했던 -10V/V의 전압이득보단 다소 작은 값이었지만 두 개의 저항비가 전압이득의 크기에 미치는 영향을 직접적으로 확인해 볼 수 있었다. 이번에도 마찬가지로 주파수를 변화시키면서 입력전압과 출력전압을 측정해보고 이를 통해 dB단위의 전압이득을 구해보았다. 그 결과는 아래의 표와 같이 나타났다.
주파수
출력전압 / 입력전압(V)
전압이득(dB)
60Hz
1.12/0.24
13.380136
100Hz
1.76/0.32
14.807254
150Hz
2.56/0.4
16.123599
200Hz
3.36/0.48
16.901961
300Hz
4.88/0.64
17.644797
500Hz
7.68/0.92
18.431468
800Hz
11/1/36
18.157076
900hZ
11.8/1.36
18.766862
1kHz
12.4/1.36
19.197656
1.5k
13.4/1.52
18.905224
2k
13.4/1.52
18.905224
3k
13.4/1.52
18.905224
10k
13.3/1.52
18.840161
20k
12.7/1.52
18.439203
30k
9.76/1.52
16.152125
100k
3.2/1.6
6.0205999
주파수가 점점 증가할 때, gain은 점점 증가하다가 어느 지점에 이르러서부터는 일정한 값을 가지게 되고 이 값을 계속 유지하다가, 계속해서 주파수를 증가시켰을 때, 어느 순간부터 다시 gain이 떨어지는 것을 관찰 할 수 있었다. 이러한 결과를 통해 주파수가 너무 작거나 크게 되면 gain이 감소하게 됨을 알 수 있었고 최대로 유지되는 gain보다 3dB만큼 떨어지는 두 지점의 3dB frequency를 구할 수 있었다. 그 값은 주파수가 150hz일 때, 그리고 30Khz일 때이고, 이를 통해 3dB Bandwidth를 구하면, 3dB Bandwidth=30Khz-150hz=29.85Khz이다. 이러한 결과를 Bode plot으로 그려보면 아래와 같은 결과를 얻을 수 있다.
이러한 결과를 통해 입력 저항을 낮춰주게 되면 회로의 전압이득은 커지게 되지만, 상대적으로 Bandwidth가 짧아지게 되는 것을 확인 할 수 있었다. 반대로 입력 저항이 커지게 되면 회로의 전압이득은 줄어들고 Bandwidth가 증가하게 되는데 이것은 이 고정되었을 때, 의 값이 일정하기 때문이다.
E. 동상신호 제거비(Common Mode Rejection Ratio : CMRR)

1) 그림 4 의 회로를 구성하고 정현파 60hz, 2Vpp 를 인가한다. 이 경우 OP-AMP 의 출력전압을 측정하고, 이 경우 동상이득 A_CM 을 측정하시오.
오실로스코프를 활용한 CMRR의 측정
위의 실험결과를 바탕으로 Common mode gain A_CM을 구하면, 의 값을 얻을 수 있다.
2) 차동증폭기라 불리는 그림 4의 회로에서 동상신호 제거비 (Common Mode Rejection Ratio : CMRR) 값을 구해보시오.
이고,
위의 회로에서 저항비를 통해 Differential gain을 구해보면,
이며,
E-1)에서 구한 것과 같이 이므로 이 값들을 통해 CMRR을 구해보면,
의 값을 얻을 수 있다.
실험전 예비 simulation을 통해 예상했던 CMRR의 값은 이고, uA741소자의 Datasheet에 명시된 CMRR의 값은 최소70dB, 평균적으로 90dB인데, 이것은 실험을 통해 얻은 CMRR의 값 83.18dB과 대체적으로 일치하는 결과이다.

키워드

연산증폭기,   연산증폭기 동작원리,   OP-AMPLIFIER 기본 특성 실험