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1. 전자회로 설계실습
1.1. Op Amp를 이용한 다양한 Amplifier 설계
센서의 출력신호를 증폭하여 원하는 수준의 출력전압을 얻기 위해 Inverting Amplifier, Non-Inverting Amplifier, Summing Amplifier를 설계하고 구현하며 측정 및 평가하였다. 우선 센서의 Thevenin 등가회로를 구하고 Function Generator와 저항으로 구현하였다. 센서 출력이 200mVpp인 2kHz 정현파인 경우, 10kΩ 부하 저항에서 100mVpp로 감소하는 것을 관찰하였다. 이를 통해 센서의 내부저항은 10kΩ이며 Thevenin 등가회로로 나타낼 수 있음을 알 수 있었다. [1]
Inverting Amplifier는 연산증폭기의 음의 피드백 회로로, R1=10kΩ, R2=50kΩ으로 설계하여 5배 증폭한 1Vpp의 출력을 얻었다. PSPICE 시뮬레이션 결과와 부합하였다. 주파수 특성 분석 결과 약 780kHz에서 입력전압과 출력전압이 같아져 OP-amp의 기능이 저하되는 것을 확인하였다. R1을 1kΩ, R2를 10kΩ으로 변경하면 gain이 2배 증가하여 출력이 2Vpp가 되었다. [1]
Inverting Amplifier의 입력과 출력을 오실로스코프로 동시에 관찰하기 위해 V/Div와 Time/Div를 50mV, 0.1ms로 각각 설정하였다. Function Generator의 출력을 100mV로 맞추어 센서 대신 사용하였다. [1]
Non-Inverting Amplifier는 R1=10kΩ, R2=40kΩ으로 설계하여 5배 증폭한 1Vpp의 출력을 얻었으며, PSPICE 시뮬레이션 결과와 일치하였다. 주파수 특성 분석 결과 약 925kHz에서 입력전압과 출력전압이 같아졌다. R1을 1kΩ, R2를 10kΩ으로 하면 gain이 2.2배인 2.2Vpp 출력이 나왔다. Non-Inverting Amplifier는 입력과 출력이 동일한 위상을 가진다. [1]
Inverting Amplifier와 Non-Inverting Amplifier를 비교하면, Inverting Amplifier가 가중 합산기 등 추가적인 연결이 더 편리하고 음의 gain을 가져 시간에 따른 위상차를 조절하기 용이하므로 선호된다. [1]
Summing Amplifier는 두 개의 Inverting Amplifier를 직렬로 연결하여 구현하였다. V1은 2kΩ, 2kHz, 1V, V2는 10kΩ, 4kHz, 0.5V인 경우 10xV1-V2의 출력을 얻을 수 있었다. [1]
종합적으로 Op Amp의 다양한 증폭기 회로를 설계, 시뮬레이션, 측정하여 특성을 분석하고 비교하였다. 센서 신호 증폭, 여러 신호의 가중 합산 등 Op Amp의 유용한 응용 사례를 확인하였다.
1.2. Op Amp의 특성 측정 방법 및 Integrator 설계
Op Amp의 offset 전압과 slew rate를 측정하는 회로, 적분기를 설계, 구현, 측정, 평가한다.
Op Amp의 offset 전압 개념을 이해하면, 두 입력단자를 모두 접지시켰을 때 이상적인 Op-Amp라면 출력전압이 0V가 되어야 한다. 그러나 실제 Op Amp의 경우에는 Op Amp 내부에 offset voltage가 존재하므로 출력전압이 0V가 아니며, 이를 open loop gain으로 나누면 offset voltage를 구할 수 있다.
하지만 이 방법으로는 실제로 offset voltage를 측정할 수 없다. 그 이유는 LM741CN Op amp의 데이터시트를 보면 input offset voltage는 평균 1mV이고, voltage gain은 200V/mV이므로 출력이 200V가 나오게 되는데, 이는 전원전압(±15V)보다 높아 출력전압이 왜곡되어 정확한 값을 측정할 수 없기 때문이다.
따라서 이상적인 Op Amp를 사용하여 gain이 100(V/V), 1000(V/V)인 Inverting Amplifier를 설계하고, 두 회로의 출력전압을 측정한 뒤 수식을 이용하여 offset voltage를 구할 수 있다.
Op Amp의 offset voltage를 최소화하는 방법으로는 offset-nu...
