(A+) 아날로그회로실험및설계 Op-Amp 미분기 실험 보고서

소개글

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목차

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

본문내용

간다.
- 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.
기본적인 연산 증폭기의 특징
- 왼쪽에 입력단자 2개(V_p, V_n) 오른쪽에 출력단자 1개(V_o)
- 위, 아래에 있는 +V_cc 그리고 -V_EE는 Op-Amp에 전원을 공급해주는 단자
- Op-Amp가 동작하기 위해서는 전원을 인가 해주어야 하며, 이는 두 가지 측면에서 동작 성능에 영향을 미친다.
① 인가되는 전원에 의해 Op-Amp는 동작이 보장되는 최저 및 최고의 전원 공급 범위를 갖는다.
② 입력 및 출력 전압은 전원 전압 범위를 넘지 못하도록 제한된다.
- 일반적으로 +15V와 -15V를 인가해준다.
- 이는 Op-Amp의 출력은 -15V, +15V 사이에서만 출력 가능하다는 의미
- 만약 -15V, +15V의 범위를 넘어간다면, 범위를 벗어난 부분은 잘려서 안 나오는 현상이 일어난다. 이를 클리핑(Clipping)이라고 한다.
※ 클리핑 현상
- 파란색 그래프가 input으로 들어가서 초록색 그래프로 증폭되어 나오는데, -VCC ~ +VCC 범위를 벗어난 부분의 출력은 잘려서 나타나진다.
※ 실제로 PSpice 시뮬레이션을 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
미분기란? (차단주파수 > 입력주파수)
- 미분기는 반전증폭기의 입력 저항을 커패시터로 바꾼 것으로 파형의 미분에 비례해 출력을 발생시키는 회로이다.
- 입력주파수가 차단주파수보다 작으면 미분기로 작동하고, 크면 반전증폭기로 작동한다는 특징을 가진다.
- 전압전류관계식과 옴의 법칙으로 관계식을 유도하면,
- 위와 같은 관계식이 유도되고,
- 위와 같은 차단 주파수 공식을 알 수 있다.
- 근데, 우리 실험에서는 피드백 회로의 저항을 계산하는 것이 아니라, 커패시터와 직렬로 연결된 저항으로 구하는 것이므로 실험을 통하여 확인하여 본다.
3. 데이터시트
4. 실험
6. 실험결과
7. 오차 및 분석
- 이번 실험에서는 실험 결과가 예상 이론값과 거의 유사하게 나왔고, 파형도 반전 및 비반전 되어 잘 나왔다.
- 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.

키워드

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