Op Amp를 이용한 다양한 Amplifier 설계

문서 내 토픽

1. 센서의 Thevenin 등가회로 구현

센서의 출력전압을 오실로스코프로 직접 측정하였을 때 200 [mVpp]로 측정되었고, 센서의 부하로 10 [kΩ] 저항을 연결한 후 10 [kΩ] 저항에 걸리는 전압을 오실로스코프로 측정하였을 때 100 [mVpp]로 측정되었다. 이를 통해 센서의 Thevenin 등가회로의 Vth는 200 [mVpp], Rth는 10 [kΩ]임을 알 수 있다.
2. Inverting Amplifier 설계 및 시뮬레이션

센서의 Thevenin 등가회로를 (-) 입력단자에 연결하고, 출력단자와 (-) 입력단자를 R2(=50 [kΩ])를 통해 연결하여 closed-loop gain G=-5를 만족하는 Inverting Amplifier를 설계하였다. PSPICE 시뮬레이션 결과, 목표 출력전압 1 [Vpp]와 시뮬레이션 출력전압이 거의 일치하였다.
3. Inverting Amplifier의 주파수 특성 분석

PSPICE를 이용한 AC Sweep Analysis 결과, Inverting Amplifier의 출력전압이 입력전압과 같아지는 주파수는 약 800 [kHz]였다. 이를 통해 Op amp는 낮은 주파수에서는 일정한 closed-loop-gain 값을 가지지만, 일정 주파수 이상에서는 그 값이 떨어지면서 amplifier로서의 기능을 잃음을 알 수 있다.
4. Non-Inverting Amplifier 설계 및 시뮬레이션

센서의 Thevenin 등가회로를 (+) 입력단자에 연결하고, (-) 입력단자에 R1(=10 [kΩ])을 연결하여 closed-loop gain G=5를 만족하는 Non-Inverting Amplifier를 설계하였다. PSPICE 시뮬레이션 결과, 목표 출력전압 1 [Vpp]와 시뮬레이션 출력전압이 거의 일치하였다.
5. Non-Inverting Amplifier의 주파수 특성 분석

PSPICE를 이용한 AC Sweep Analysis 결과, Non-Inverting Amplifier의 출력전압이 입력전압과 같아지는 주파수는 약 900 [kHz]였다. 이를 통해 Op amp는 낮은 주파수에서는 일정한 closed-loop-gain 값을 가지지만, 일정 주파수 이상에서는 그 값이 떨어지면서 amplifier로서의 기능을 잃음을 알 수 있다.
6. Non-Inverting Amplifier의 출력 왜곡 현상

센서의 출력전압이 6 [Vpp]일 때부터 Non-Inverting Amplifier의 출력에서 왜곡이 발생하기 시작했다. 이는 Amplifier의 출력전압이 공급되는 전압(±15 [V])보다 커지면서 saturation이 일어나기 때문이다.
7. Inverting Amplifier와 Non-Inverting Amplifier의 비교

개인적으로 Inverting Amplifier가 closed-loop gain을 구할 때 조금 더 편하게 느껴지고 전압의 위상 또한 바꿀 수도 있으므로 Inverting Amplifier를 더 선호한다.
8. Summing Amplifier 설계 및 시뮬레이션

V1의 출력 저항이 2 [kΩ], 주파수가 2 [kHz], 크기가 1 [V], V2의 출력 저항이 10 [kΩ], 주파수가 4 [kHz], 크기가 0.5 [V]일 때, 출력이 10×V1-V2가 되도록 하는 Summing Amplifier 회로를 설계하고 PSPICE로 시뮬레이션하였다.

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1. 주제2: Inverting Amplifier 설계 및 시뮬레이션

Inverting Amplifier는 음의 피드백을 이용하여 입력 신호를 반전시키는 회로입니다. 이 회로는 간단한 구조와 안정적인 동작 특성으로 인해 널리 사용되고 있습니다. Inverting Amplifier 설계 시에는 증폭도, 입력 임피던스, 출력 임피던스 등의 특성을 고려해야 합니다. 또한 시뮬레이션을 통해 실제 회로 동작을 예측하고 설계를 검증할 수 있습니다. 시뮬레이션 결과를 바탕으로 회로 파라미터를 최적화하여 원하는 성능을 달성할 수 있습니다. Inverting Amplifier는 다양한 응용 분야에서 활용되므로, 이에 대한 깊이 있는 이해가 필요합니다.
2. 주제4: Non-Inverting Amplifier 설계 및 시뮬레이션

Non-Inverting Amplifier는 입력 신호를 반전시키지 않고 증폭하는 회로입니다. 이 회로는 높은 입력 임피던스와 낮은 출력 임피던스를 가지므로, 센서 신호 처리나 버퍼 증폭기 등의 응용 분야에 널리 사용됩니다. Non-Inverting Amplifier 설계 시에는 증폭도, 입력 오프셋 전압, 입력 바이어스 전류 등의 특성을 고려해야 합니다. 또한 시뮬레이션을 통해 실제 회로 동작을 예측하고 설계를 검증할 수 있습니다. 시뮬레이션 결과를 바탕으로 회로 파라미터를 최적화하여 원하는 성능을 달성할 수 있습니다. Non-Inverting Amplifier는 다양한 응용 분야에서 활용되므로, 이에 대한 깊이 있는 이해가 필요합니다.
3. 주제6: Non-Inverting Amplifier의 출력 왜곡 현상

Non-Inverting Amplifier는 일반적으로 선형 동작을 하지만, 입력 신호의 크기가 증가하면 출력 신호에 왜곡이 발생할 수 있습니다. 이러한 출력 왜곡 현상은 증폭기의 동작 범위를 벗어나거나 피드백 회로의 비선형성 때문에 발생합니다. 출력 왜곡 현상을 분석하기 위해서는 증폭기의 전압 이득 곡선, 입력-출력 특성, 고조파 분석 등을 수행해야 합니다. 또한 피드백 저항, 바이어스 회로 등의 설계 요소가 출력 왜곡에 미치는 영향을 고려해야 합니다. 이를 통해 Non-Inverting Amplifier의 출력 왜곡을 최소화하고 선형 동작 범위를 최대화할 수 있습니다.
4. 주제8: Summing Amplifier 설계 및 시뮬레이션

Summing Amplifier는 여러 개의 입력 신호를 합산하여 출력으로 내보내는 회로입니다. 이 회로는 신호 처리, 제어 시스템, 데이터 처리 등 다양한 분야에서 활용됩니다. Summing Amplifier 설계 시에는 입력 신호의 크기, 입력 임피던스, 출력 임피던스 등을 고려해야 합니다. 또한 시뮬레이션을 통해 실제 회로 동작을 예측하고 설계를 검증할 수 있습니다. 시뮬레이션 결과를 바탕으로 회로 파라미터를 최적화하여 원하는 성능을 달성할 수 있습니다. Summing Amplifier는 다양한 응용 분야에서 활용되므로, 이에 대한 깊이 있는 이해가 필요합니다.

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