비교기 예비보고서

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1. 연산 증폭기의 기본 동작 원리

연산 증폭기는 고 이득 전압증폭기로, 두 개의 입력단자와 한 개의 출력단자를 가지고 있다. 연산 증폭기는 두 입력단자 전압 간의 차이를 증폭하는 차동증폭기로 구성되어 있다. 연산 증폭기를 사용하면 사칙연산이 가능한 회로를 구성할 수 있으므로 '연산 증폭기'라고 부른다. 또한 연산 증폭기를 사용하여 미분기 및 적분기를 구현할 수 있다. 연산 증폭기는 일반적으로 +Vcc 및 -Vcc의 두 개의 전원이 필요하지만, 단일 전원만을 요구하는 연산 증폭기도 상용화되어 있다.
2. 이상적인 연산 증폭기의 특성

이상적인 연산 증폭기는 다음과 같은 특성을 가진다: 1) 전압이득 = 무한대, 2) 대역폭 = (0 ~ 무한대), 3) 입력 임피던스 = 무한대, 4) 입력 전류 = 0, 5) 출력 임피던스 = 0, 6) 출력 전류 = 무한대. 피드백 회로가 연결된 경우, 이상적인 연산 증폭기의 입력단자 간 전압은 영(zero)이 되며, 이를 가상접지라고 한다. 연산 증폭기의 입력 저항이 무한대이므로 입력단자로 전류가 유입될 수 없다.
3. 비교기의 동작 원리

비교기는 피드백이 없는 연산 증폭기 회로로, 기준 전압과 다른 한쪽의 단자에 입력되는 전압의 차를 증폭하여 High 또는 Low로 출력한다. 즉, (+입력단자 전압) > (-입력단자 전압)이면 High 출력, (+입력단자 전압) < (-입력단자 전압)이면 Low 출력이 된다. 영 (Zero) 준위 비교기는 비교 기준 전압이 0 [V]인 경우이다. 비교기는 PWM (Pulse Width Modulation) 회로에서 출력을 제어하는 데 사용된다.
4. 단방향 및 양방향 비교기 실험

실험 1-1과 1-2에서는 단방향 및 양방향 비교기 회로를 구성하고, 입력 전압 Vin을 0 V에서 5 V로 변화시키면서 출력 전압 Vout을 관찰하였다. 실험 결과, Vin이 기준 전압 Vref보다 작은 경우 Vout은 -15 V, Vin이 Vref보다 큰 경우 Vout은 15 V로 측정되어 비교기의 동작을 확인할 수 있었다.
5. 비교기 실험

실험 2-1과 2-2에서는 비교기 회로를 구성하고, 입력 전압 Vin을 0 V에서 5 V로 변화시키면서 출력 전압 Vout, 기준 전압 Vref, 삼각파 Vtri 등의 파형을 관찰하였다. 실험 결과, Vin이 Vref보다 작은 경우 Vout은 Low, Vin이 Vref보다 큰 경우 Vout은 High로 출력되어 비교기의 동작을 확인할 수 있었다.

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1. 연산 증폭기의 기본 동작 원리

연산 증폭기는 전자 회로에서 매우 중요한 역할을 하는 핵심 소자입니다. 연산 증폭기의 기본 동작 원리는 매우 간단하지만, 이를 이해하는 것은 전자 회로 설계에 있어 필수적입니다. 연산 증폭기는 두 개의 입력 단자와 하나의 출력 단자로 구성되어 있으며, 입력 단자에 가해지는 전압 차이를 증폭하여 출력 단자에 전압을 발생시킵니다. 이때 연산 증폭기의 이득은 매우 크기 때문에 작은 입력 전압 차이에도 큰 출력 전압을 얻을 수 있습니다. 또한 연산 증폭기는 입력 임피던스가 매우 크고 출력 임피던스가 매우 작기 때문에 회로 간 격리 효과가 뛰어나 다양한 응용 회로에 활용될 수 있습니다. 이러한 연산 증폭기의 기본 동작 원리를 이해하는 것은 전자 회로 설계 및 분석에 있어 매우 중요합니다.
2. 이상적인 연산 증폭기의 특성

이상적인 연산 증폭기는 다음과 같은 특성을 가지고 있습니다. 첫째, 무한대의 개방 루프 이득을 가지고 있어 입력 전압 차이를 완벽하게 증폭할 수 있습니다. 둘째, 무한대의 입력 임피던스를 가지고 있어 입력 회로에 거의 부하를 주지 않습니다. 셋째, 0Ω의 출력 임피던스를 가지고 있어 출력 회로에 거의 부하를 주지 않습니다. 넷째, 무한대의 대역폭을 가지고 있어 모든 주파수 대역에서 동일한 이득을 가집니다. 다섯째, 입력 오프셋 전압이 0V이며 입력 오프셋 전류도 0A입니다. 이러한 이상적인 특성을 가진 연산 증폭기는 실제로는 존재하지 않지만, 이를 이해하는 것은 실제 연산 증폭기의 특성을 이해하는 데 매우 중요합니다.
3. 비교기의 동작 원리

비교기는 두 개의 입력 전압을 비교하여 그 크기 관계에 따라 출력 전압을 결정하는 전자 회로 소자입니다. 비교기의 동작 원리는 다음과 같습니다. 먼저 두 개의 입력 전압 중 하나는 기준 전압으로 사용되고, 다른 하나는 비교 대상 전압으로 사용됩니다. 그리고 이 두 전압을 비교기의 입력 단자에 인가합니다. 만약 비교 대상 전압이 기준 전압보다 크다면 비교기의 출력 전압은 양의 포화 전압이 되고, 반대로 비교 대상 전압이 기준 전압보다 작다면 비교기의 출력 전압은 음의 포화 전압이 됩니다. 이러한 비교기의 동작 원리를 이해하면 다양한 전자 회로 설계에 활용할 수 있습니다.
4. 단방향 및 양방향 비교기 실험

단방향 및 양방향 비교기 실험은 비교기의 동작 원리를 실험적으로 확인할 수 있는 중요한 실험입니다. 단방향 비교기 실험에서는 기준 전압보다 큰 입력 전압에 대해서만 출력 전압이 변화하는 것을 확인할 수 있습니다. 반면 양방향 비교기 실험에서는 기준 전압보다 큰 입력 전압과 작은 입력 전압 모두에 대해 출력 전압이 변화하는 것을 확인할 수 있습니다. 이러한 실험을 통해 비교기의 동작 원리를 깊이 있게 이해할 수 있으며, 실제 회로 설계에 활용할 수 있는 중요한 지식을 얻을 수 있습니다. 또한 이 실험을 통해 비교기의 히스테리시스 특성과 같은 중요한 개념도 학습할 수 있습니다.
5. 비교기 실험

비교기 실험은 비교기의 동작 원리와 특성을 실험적으로 확인할 수 있는 매우 중요한 실험입니다. 이 실험에서는 다양한 입력 전압 조건에서 비교기의 출력 전압 변화를 관찰할 수 있습니다. 예를 들어 기준 전압보다 큰 입력 전압이 인가되면 출력 전압이 양의 포화 전압으로 변화하고, 기준 전압보다 작은 입력 전압이 인가되면 출력 전압이 음의 포화 전압으로 변화하는 것을 확인할 수 있습니다. 또한 히스테리시스 특성을 관찰하여 비교기의 안정성과 잡음 내성을 확인할 수 있습니다. 이러한 비교기 실험을 통해 비교기의 동작 원리와 특성을 깊이 있게 이해할 수 있으며, 이를 바탕으로 다양한 전자 회로 설계에 활용할 수 있습니다.

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