(A+) 아날로그회로실험및설계 Op-amp 반전, 비반전 증폭기 실험 보고서

소개글

(A+) 아날로그회로실험및설계 Op-amp 반전, 비반전 증폭기 실험 보고서에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 실험목표
2. 관련이론
3. 데이터시트
4. 실험
5. 실험결과
6. 오차 및 분석

본문내용

위의 식을 가상 단락(Virtual short)와 연결 지어 풀어내면, 다음과 같다.
- 위의 식을 다시 정리하여 출력 전압을 입력 전압을 사용해 표현하면 다음과 같다.
- 앞에서 이야기한 대로 출력 전압이 입력 전압에 비례한 값에 부호를 반전시킨 값으로 출력되는 것을 볼 수 있다.
비반전 증폭기란? (Noninverting AMP)
- 비반전 증폭기는 이름에서 알 수 있듯이 반전 증폭기와는 달리 출력의 신호가 입력의 신호와 동일하게 출력되는 회로이다.
- 아래의 사진이 비반전 증폭기의 대표적인 회로이다.
- 반전 증폭기와는 달리 입력 전압이 비반전 입력 단자의 입력으로 들어간다.
- 이러한 회로를 해석할 때 OP amp는 이상적인 OP amp라고 가정해보자.
- 이상적인 OP amp의 특성 중 하나인 가상 단락(Virtual short)을 적용하면 Vp의 전압과 Vn의 전압이 같아야 한다.
- 또 이상적인 OP amp의 특성 중 하나인 입력 단자의 저항이 무한대라는 것을 적용하면 비반전 입력 단자의 전압은 비반전 증폭기 회로의 입력 전압 Vi가 된다.
- 입력 전압 Vi와 출력 전압 Vo 사이의 관계를 알아내기 위해서는 Vn의 전압을 구하면 된다.
- Vn의 전압은 이상적인 OP amp의 특성 중 하나인 입력 단자의 저항이 무한히 크다는 점을 적용하여 KCL을 사용하면 구할 수 있다.
- 위의 식을 정리하면 출력 전압 Vo를 Vn에 대해 다음과 같이 표현할 수 있다.
- 위에서 이야기했던 Virtual short에 따라 Vn의 전압은 Vp와 같고 이는 입력 전압 Vi와 같았다.
- 그러므로 출력 전압 Vo를 입력 전압 Vi에 대해 표현하면 다음과 같이 표현할 수 있다.
- 입력 전압에 비례하고 입력 전압과 동일한 부호를 취하는 출력 전압이 출력된다.
반전 증폭기와 비반전 증폭기의 차이점
※ 반전 증폭기와 비반전 증폭기는 모두 연산 증폭기(Op-amp)를 사용하여 입력 신호를 증폭하는 회로이지만, 입력 신호와 출력 신호의 위상 관계와 이득 계산 방식에서 차이가 있다.
① 입력 신호와 출력 신호의 위상 관계
- 반전 증폭기: 입력 신호와 출력 신호의 위상이 180도 반전된다. 즉, 입력 신호가 양수이면 출력 신호는 음수가 되고, 입력 신호가 음수이면 출력 신호는 양수가 된다.
- 비반전 증폭기: 입력 신호와 출력 신호의 위상이 동일하다. 즉, 입력 신호가 양수이면 출력 신호도 양수가 되고, 입력 신호가 음수이면 출력 신호도 음수가 된다.
② 이득 계산 방식
- 반전 증폭기 : 이득은 개루프 이득(Gain with feedback)으로 계산됩니다. 개루프 이득은 반전 루프를 통해 계산되며, 다음과 같은 공식으로 계산됩니다.
Av = -Rf / Rin
여기서, Av는 반전 증폭기의 이득
Rf는 피드백 저항
Rin는 입력 저항
- 비반전 증폭기: 이득은 비반전 루프를 통해 계산되며, 다음과 같은 공식으로 계산됩니다.
Av = 1 + Rf / Rin
여기서, Av는 비반전 증폭기의 이득
Rf는 피드백 저항
Rin는 입력 저항
3. 데이터시트
4. 실험
6. 실험 결과
※ 실험 1) R1 : 10k, R2 : 10k ※
설명 : 피크 대 피크가 둘 다 동일하게 2V가 나온 모습이다.
※ 실험 1) R1 : 20k, R2 : 10k ※
설명 : 피크 대 피크가 하나는 2V, 하나는 1V가 나와, 2배 차이가 나는 모습이다.
※ 실험 1) R1 : 10k, R2 : 200k ※
설명 : 피크 대 피크가 하나는 2V, 하나는 대략 27V가 나와, 원래는 20배 차이가 나와야 하지만 클리핑 현상으로 오실로스코프 상에 위와 아래가 잘려 나타난 모습이다.
※ 실험 2) 반전 증폭기 2개를 사용하여 출력이 10V(증폭률이 10배)의 비반전 신호가 나오는 회로를 설계 ※
설명 : 피크 대 피크가 하나는 2V, 하나는 대략 20V가 나와, 예상대로 증폭률이 10배로 나타나는 모습이다.
※ 반전 증폭기 2개를 사용하여 출력이 10V(증폭률이 10배)의 비반전 신호가 나오는 회로를 설계하는 모습 ※
※ 실험 3) R1 : 10k, R2 : 10k ※
설명 : 피크 대 피크가 하나는 2V, 하나는 4V가 나와 비반전 형태로 2배 차이가 나는 모습이다.
※ 실험 3) R1 : 10k, R2 : 20k ※
설명 : 피크 대 피크가 하나는 2V, 하나는 6V가 나와 비반전 형태로 3배 차이가 나는 모습이다.
※ 실험 3) R1 : 20k, R2 : 10k ※
설명 : 피크 대 피크가 하나는 2V, 하나는 3V가 나와 비반전 형태로 1.5배가 나타나는 모습이다.
※ 실험 4) 증폭률 100배 회로 만들기 ※
설명 : 의도대로 피크 대 피크가 하나는 200mV, 하나는 21V가 나와 대략 100배의 회로를 구현했다.
6. 오차 및 분석
- 이번 실험에서는 실험 결과가 예상 이론값과 거의 유사하게 나왔고, 파형도 반전 및 비반전 되어 잘 나왔다.
밑은 내가 생각한 오차가 나는 이유들이다.
- 첫째로, 소자의 불확실성이다. 이번 강의에 사용한 소자는 우리 학교 랩실 인원들 뿐만 아니라, 아날로그 강의를 듣는 우리 학생들 모두가 쓰는 소자이다. 그러므로, 여러 학생들이 공유하는 소자이기 때문에 그 학생들이 소자를 사용하면서 본인들도 모르게 내부의 회로를 태우거나 고장냈을 확률이 존재한다. (실제로, 우리 조는 완벽히 회로 구성을 했는데도 결과값이 나오지 않자, 회로는 그대로 둔 상태에서 소자만 교체했는데 제대로 된 결과값이 나왔다.)
- 둘째로, 점퍼선(와이어)에서도 저항은 존재한다는 것이다. 그러므로 전류가 그 점퍼선(와이어)을 이동하면서 자연스럽게 그 점퍼선 상에 있는 자그마한 저항의 영향을 받기 때문에 시뮬레이션의 결과처럼 이상적이론적 결과는 현실적으로는 불가능하기 때문에 오차가 생긴 것이라고 생각한다.
- 셋째로는, 점퍼선(와이어)의 결함이라고 생각한다.
소자와 소자 사이를 이을 때, 우린 보통 래핑 와이어를 사용하는데, 절연 소자로 감싸져있는 와이어 속이 미세하게 끊어져 있을 수도 있고, 또는 납땜하는 과정에서 미세하게 전류가 통하지 않게 납땜을 했을 가능성 또한 배제할 수 없다고 생각한다.

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