Op Amp를 이용한 다양한 Amplifier 설계

문서 내 토픽

1. Inverting Amplifier 설계

출력저항이 큰 센서의 출력신호를 증폭하기 위해 Inverting Amplifier를 설계한다. LM741 Op Amp를 사용하여 2 KHz 주파수의 센서 출력을 1 Vpp로 증폭한다. 설계 과정에서 Gain=5, R1=10kΩ, R2=50kΩ으로 설정하며, PSPICE 시뮬레이션을 통해 Transient Analysis와 AC Sweep Analysis를 수행한다. 주파수 특성 분석 결과 799.440 kHz에서 출력전압이 입력전압과 같아지며, 이를 통해 Op Amp의 주파수 특성을 파악할 수 있다.
2. Non-Inverting Amplifier 설계

Non-Inverting Amplifier를 설계하여 센서 출력을 1 Vpp로 증폭한다. R1=10kΩ, R2=40kΩ으로 설정하여 Gain=5를 구현한다. PSPICE 시뮬레이션 결과 931.940 kHz에서 출력전압이 입력전압과 같아진다. 입력전압이 6 Vpp 이상이 되면 공급 전압 ±15V의 한계로 인해 saturation이 발생하여 출력이 왜곡된다. Non-Inverting Amplifier는 입력 임피던스가 높은 특징이 있다.
3. Summing Amplifier 설계

두 개의 신호를 합산하는 Summing Amplifier를 설계한다. V1은 출력저항 2kΩ, 주파수 2kHz, 크기 1V이고 V2는 출력저항 10kΩ, 주파수 4kHz, 크기 0.5V이다. 출력이 10×V1-V2가 되도록 설계하며, 두 개의 Inverting Amplifier를 연결하여 구현한다. 첫 번째 단계에서 Gain=-10으로 설정하여 -10V1을 생성하고, 두 번째 단계에서 Gain=1로 설정하여 최종 출력 10V1-V2를 얻는다.
4. 센서의 Thevenin 등가회로

출력저항이 큰 센서의 특성을 파악하기 위해 Thevenin 등가회로를 구한다. 오실로스코프(입력임피던스 1MΩ)로 직접 측정 시 200mVpp, 10kΩ 저항 연결 시 100mVpp가 측정되어 voltage division을 통해 센서 출력저항이 10kΩ임을 확인한다. Function Generator의 출력저항 50Ω을 고려하여 200mVpp 출력을 위해 100mVpp로 설정한다. PSPICE로 Thevenin 등가회로를 구현하여 시뮬레이션한다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

1. Inverting Amplifier 설계

Inverting Amplifier는 Op-Amp 기반 회로 설계에서 가장 기본적이면서도 중요한 구성입니다. 입력 신호를 반전시키면서 증폭하는 특성으로 인해 신호 처리, 필터링, 적분 회로 등 다양한 응용에 활용됩니다. 설계 시 피드백 저항의 비율로 이득을 정확히 제어할 수 있으며, 입력 임피던스가 낮다는 특성을 고려하여 신호원의 임피던스 매칭을 신중히 고려해야 합니다. 또한 Op-Amp의 대역폭, 슬루율, 오프셋 전압 등의 실제 특성을 고려한 설계가 정확한 성능 구현에 필수적입니다.
2. Non-Inverting Amplifier 설계

Non-Inverting Amplifier는 입력 신호의 위상을 유지하면서 증폭하는 회로로, 높은 입력 임피던스를 제공하여 신호원에 미치는 부하를 최소화합니다. 이러한 특성으로 인해 센서 신호 증폭, 버퍼 증폭기, 임피던스 변환 등에 광범위하게 사용됩니다. 설계 시 이득은 피드백 저항의 비율로 결정되며, 입력 임피던스가 높아 신호 손실이 적다는 장점이 있습니다. 다만 출력 임피던스가 낮아야 하므로 Op-Amp의 출력 특성과 부하 조건을 충분히 검토하여 안정적인 동작을 보장해야 합니다.
3. Summing Amplifier 설계

Summing Amplifier는 여러 입력 신호를 동시에 수신하여 가중합산한 후 증폭하는 회로로, 신호 혼합, 오디오 믹싱, 데이터 수집 시스템 등에 매우 유용합니다. 각 입력 채널에 독립적인 저항을 배치하여 각 신호의 가중치를 개별적으로 제어할 수 있으며, 이는 복잡한 신호 처리를 간단하게 구현할 수 있게 합니다. 설계 시 입력 저항들의 정확한 값 선택, 피드백 저항의 적절한 설정, 그리고 Op-Amp의 입력 오프셋 전압 보정이 중요하며, 채널 간 간섭을 최소화하기 위한 회로 배치도 신중히 고려해야 합니다.
4. 센서의 Thevenin 등가회로

Thevenin 등가회로는 복잡한 센서 회로를 간단한 전압원과 직렬 저항으로 모델링하는 강력한 도구입니다. 센서의 실제 동작 특성을 정확히 파악하고 신호 조절 회로를 설계하기 위해서는 Thevenin 등가회로의 정확한 도출이 필수적입니다. 개방 회로 전압과 단락 회로 전류를 측정하여 등가 저항을 계산하면, 센서와 후단 증폭기 간의 임피던스 매칭, 신호 손실 예측, 노이즈 특성 분석 등을 효과적으로 수행할 수 있습니다. 특히 고임피던스 센서의 경우 버퍼 증폭기 사용의 필요성을 판단하는 데 매우 유용합니다.

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