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1. 실험 개요 및 관련 이론
1.1. 실험 제목 및 주제
이 실험의 제목은 "응용설계-발진회로의 설계 및 제작"이다. 주요 실험 주제는 다음과 같다.
첫째, Wien bridge 발진 동작을 이해한다.
둘째, 발진 조건을 구한다.
셋째, 발진 주파수를 비교 관찰한다.
Wien bridge 발진기는 OP Amp와 RC 소자를 이용하여 1 MHz 이하의 저주파수 영역에서 정현파 발진을 구현하는 것이 목적이다. 발진 조건을 만족하기 위해서는 개방 루프 전압 이득(A)과 폐루프 이득(Aβ)이 특정 관계를 만족해야 한다. 또한 발진 주파수는 RC 소자의 값에 의해 결정되므로, 주파수 변화 실험을 통해 이를 확인하고자 한다.
1.2. 실험 장비 및 부품
실험 장비 및 부품은 다음과 같다.
실험기기로는 오실로스코프 1대, 파형발생기 1대, 디지털멀티미터 1대, 브레드보드 1개가 사용된다. 회로부품으로는 저항 1KΩ, 10KΩ 각 4개, 가변저항 10KΩ 1개, 커패시터 0.1㎌, 0.01㎌ 각 1개, OP Amp μA741 또는 LM324 1개가 사용된다.
오실로스코프는 발진 파형의 관찰에 사용되며, 파형발생기는 신호 소스로 활용된다. 디지털멀티미터는 전압 및 주파수 측정에 사용된다. 브레드보드는 회로 구성을 위한 기반이 된다.
저항, 가변저항, 커패시터 등의 수동 소자는 발진 주파수 결정에 사용되며, OP Amp는 Wien Bridge 발진기의 핵심 능동 소자로 동작한다.
1.3. 발진 회로의 개념
1.3.1. RC 발진 회로
RC 발진 회로는 저항(R)과 캐패시터(C)로 구성된 회로로, 외부의 입력 없이도 전기 진동을 발생시킬 수 있는 회로이다. 발진 주파수를 결정하는 요소가 R과 C이므로 콘덴서와 저항을 이용한 회로라고 할 수 있다. 정현파에 가까운 파형을 얻을 수 있지만 주파수 정밀도가 떨어지는 편이다.
RC 발진 회로는 교류 증폭회로에서 양의 되먹임(positive feedback)이 되면 외부의 입력 없이도 증폭 작용이 계속되어 전기 진동이 발생하게 되는 원리를 이용한다. 이렇게 되먹임을 통해 전기 진동을 발생시키는 회로를 발진 회로라고 한다. 캐패시터와 저항의 시정수(RC 상수)에 의해 발진 주파수가 결정되며, 주파수 변화를 위해서는 R과 C의 값을 조절하면 된다.
RC 발진 회로는 비교적 간단한 구조로 설계할 수 있지만, 주파수 안정성이 떨어지는 단점이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해 다른 발진 회로들이 개발되어 왔다. 예를 들어 Wien 브리지 발진기, 위상 지연 발진 회로, LC 발진 회로 등이 있다. 이들 회로는 RC 발진 회로에 비해 주파수 안정성이 더 높은 편이다.
1.3.2. Wien Bridge 발진기
Wien Bridge 발진기는 OP Amp 및 RC 소자를 사용하여 1 MHz 이하의 저주파수 정현파 발진을 목적으로 한다. 개방 루프 전압 이득(open loop voltage gain) A는 비반전 증폭기(non-inverting amplifier)로 동작하므로 A = 1 + R2/R1이 된다. 한편, 출력 단자로부터 입력단자로의 궤환량 β는 β = 1 + Zp/(Zp + Zs)로 나타낼 수 있다. 여기서 Zp와 Zs는 각각 진상회로와 지상회로의 임피던스를 나타낸다.
발진 조건은 폐루프 이득 Aβ = 1을 만족해야 하며, 이에 따라 실수부 및 허수부에 대한 조건이 도출된다. 실수부 조건은 (1 + R2/R1)(1/3) = 1이 되어 R2/R1 = 2가 되어야 한다. 반면 허수부 조건은 ωRC - 1/(ωRC) = 0을 만족해야 하며, 이로부터 발진 주파수 f = 1/(2πRC)가 결정된다.
실제 설계 시에는 정궤환(positive feedback)을 이루기 위해 R2/R1 ≥ 5 정도로 설정하는 것이 안정한 정현파 발진을 위해 필요하다. 이는 증폭도가 높으면 왜곡이 많아지고 증폭도가 낮으면 발진이 되지 않는 특성 때문이다.
Wien Bridge 발진기는 RC 소자로 밴드패스 필터를 구성하여 저주파수 대역에서 정현파를 얻을 수 있는 대표적인 발진기 회로이다. 이에 비해 위상 천이 발진기는 단일 증폭기와 3개의 RC 네트워크로 구성되어 180도의 위상 천이를 제공함으로써 발진을 일으키는 방식이다. 두 발진기는 모두 RC 발진 회로를 기반으로 하지만 구체적인 회로 구성과 발진 원리에서 차이가 있다.
1.3.3. 위상 지연 발진 회로
위상 지연 발진 회로는 CR 적분 회로에 의한 위상 지연을 이용해 발진을 일으키는 회로이다. 이 회로는 비교적 저주파 대역에서 사용되며, RC 발진 회로보다는 주파수 정밀도가 약간 좋아진다.
회로는 반전 증폭기와 RC 네트워크로 구성되어 있다. RC 네트워크에서 발생하는 위상 지연에 의해 증폭기의 출력 신호가 입력 신호에 대해 180도 위상이 지연되면, 이를 다시 증폭기의 입력에 연결하여 양의 궤환을 형성함으로써 발진이 이루어진다. 이때 발진 주파수는 RC 소자값에 의해 결정된다.
위상 지연 발진 회로는 비교적 간단한 구조로 구현할 수 있지만, 주파수 안정성 면에서 LC 발진 회로나 Wien Bridge 발진기에 비해 떨어진다는 단점이 있다. 그러나 저렴한 가격과 쉬운 설계로 인해 여전히...
