(A+) 아날로그회로실험및설계 Op-Amp 단위이득 팔로우와 비교기 실험 보고서

소개글

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목차

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

본문내용

실행한 모습 ※
- 위 사진은 +VCC엔 +5V, -VCC엔 접지(0V)를 인가하였다.
- 주황 그래프는 출력, 초록 그래프는 입력이다.
- 출력(주황) 그래프는 증폭이 되어 출력되었으나, 최대 전압 5V 그리고 최소 전압 0V를 넘지 못 하고 Clipping 되어 버린 모습이다.
이상적인 연산 증폭기의 모습
1) 전압 이득은 무한
- 전압이득이 무한대인데, 출력 전압이 한정적이기 위해서는 Vi의 값이 0이어야 말이 된다. 그러므로 두 입력 단자 사이에 전위차는 없다.
2) 입력 임피던스(Ri)가 무한대
- 앞서 설명했듯이, 두 입력단자의 전위차를 증폭하는 역할이 연산 증폭기인데, 이를 다시 생각해보면 입력저항(임피던스)에 걸리는 전압은 곧 두 입력단자의 전위차를 나타내므로, 입력 저항에 걸린 전압을 증폭하는 것이라고 생각해도 무방하다.
- 그럼 다시 생각해보면, 두 입력단의 전위차가 전부 다 입력 저항에 걸려야 한다는 말인데 .. 그러기 위해서는 입력 저항의 값이 무한대로 커서 주변의 다른 저항에 영향을 받지 않도록 해야 한다는 말이다.
- 입력 저항의 크기가 매우 크면 즉, 무한대의 입력 저항 값을 갖게 된다면, 거의 전부의 전압이 이 저항 쪽으로 걸리게 될 것이다. 또한, 입력 저항값이 무한대이므로, 입력 단자 두 개로 들어가는 전류는 0이 된다.
3) 출력 저항의 값은 0
- 증폭된 전압이 출력 저항을 지나면서 일어나는 전압 강하를 최소화해야하기 때문에, 일반적으로는 매우 작은 크기의 저항값을 가진다.
- 그러므로 이상적인 연산 증폭기의 출력 저항값은 0이라는 조건이 붙는다.
이상적인 연산 증폭기의 기타 특성들
전압 팔로워 회로란? (Voltage Follower)
- 위의 식은 앞서 유도했던 비반전 증폭기의 식이다.
- 전압 팔로워 회로는 Rf가 단락(0옴)되고, Rs가 개방(무한대)되는 비반전 증폭기 회로이다.
- 위의 식을 인용하면,
- 이렇게 되므로 Vout = Vin 이라는 결과식을 유도할 수 있다.
비교기란? (Comparator)
- 2개의 전압이나 전류를 비교하고, 더 큰 쪽을 가리키는 디지털 신호를 출력한다.
- Negative Feedback이 없는 유일한 회로이다.
- 그러므로 엄청나게 큰 값이 출력된다.
- 이를 이용하여 두 입력 단잔에 들어오는 전압을 비교할 수 있다.
- 연산증폭기의 특징은 포화가 적용되어, 반전단자의 값이 크면 Vcc로 포화되고, 비반전단자의 값이 크면 Vee로 포화되는 것을 이용하여 비교할 수 있다.
3. 데이터시트
4. 실험
6. 실험 결과
1) 단위 이득 팔로워 입출력 관계 유도식
- 위의 식은 앞서 유도했던 비반전 증폭기의 식이다.
- 전압 팔로워 회로는 Rf가 단락(0옴)되고, Rs가 개방(무한대)되는 비반전 증폭기 회로이다.
- 위의 식을 인용하면,
- 이렇게 되므로 Vout = Vin 이라는 결과식을 유도할 수 있다.
2) 비교기 입출력 관계 유도식
- 2개의 전압이나 전류를 비교하고, 더 큰 쪽을 가리키는 디지털 신호를 출력한다.
- Negative Feedback이 없는 유일한 회로이다.
- 그러므로 엄청나게 큰 값이 출력된다.
- 이를 이용하여 두 입력 단잔에 들어오는 전압을 비교할 수 있다.
- 연산증폭기의 특징은 포화가 적용되어, 반전단자의 값이 크면 Vcc로 포화되고, 비반전단자의 값이 크면 Vee로 포화되는 것을 이용하여 비교할 수 있다.
※ 실험 1 실험결과
※ 실험 1 오실로스코프 결과 ※
Vin과 Vout의 크기가 같다.
※ 실험 2 실험결과
비반전단자가 반전단자에 입력되는 전압인 1V보다 클 때는 Vee가 출력되고, 작을 때는 Vcc가 출력되는 것을 확인할 수 있다.
비반전단자가 반전단자에 입력되는 전압인 2V보다 클 때는 Vee가 출력되고, 작을 때는 Vcc가 출력되는 것을 확인할 수 있다.
위는 반전단자에 입력되는 전압이 3V라서, 2.5V인 정현파가 더 클 수가 없으니 무조건 Vcc만 출력되는 것을 볼 수 있다.
※ 실험 2 오실로스코프 모습 10Hz 일 때 ※
※ 실험 2 오실로스코프 모습 50Hz 일 때 ※
※ 실험 2 오실로스코프 모습 100Hz 일 때 ※
주파수를 바꾸면 Time Scale만 달라질 뿐, 파형이나 수치에는 변화가 없다.
※ 실험 2 그림3 회로의 오실로스코프 모습 ※
※ 실험 2 그림3 회로의 VOFF가 2.5V 일 때 오실로스코프 모습 ※
7. 오차 및 분석
- 이번 실험에서는 실험 결과가 예상 이론값과 거의 유사하게 나왔고, 파형도 반전 및 비반전 되어 잘 나왔다.
- 다만, 주파수를 1Hz, 5Hz, 10Hz로 바꾸는 단계에서 제대로 차이가 보이지 않아 10Hz, 50Hz, 100Hz로 바꾸었다는 차이만 있었다.
- 또한, Vpulse 소자를 처음으로 파형 발생기에 적용시켜 보았는데, 이 과정에서 주기=1/주파수 공식을 다시 한 번 상기시킬 수 있는 좋은 기회가 되었던 것 같다.
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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