피드백 증폭기 설계 및 실습

본 내용은 " 중앙대 전자회로설계실습 예비보고서9 " 의 원문 자료에서 일부 인용된 것입니다. 2023.12.23

문서 내 토픽

• 1. Series-Shunt 피드백 증폭기

  입력이 전압이고 출력도 전압인 Series-Shunt 구조의 피드백 증폭기를 설계한다. 전원 전압 12V, 입력저항 1kΩ, 부하저항 1kΩ으로 설정하고 피드백 저항 비율을 2로 조정한다. PSpice를 이용해 입력 전압을 0V에서 6V까지 0.1V 증분으로 변화시켜 부하저항 양단의 출력전압 변화를 관찰한다. 입력저항과 부하저항의 값 변화는 입출력 이득에 영향을 미치지 않아 이득이 일정하게 유지된다.

• 2. Series-Series 피드백 증폭기

  입력이 전압이고 출력은 전류인 Series-Series 구조의 피드백 증폭기를 설계한다. LED의 최대 전류 150mA를 고려하여 저항을 100Ω으로 설정하고 입력저항 1kΩ, 피드백 저항 1kΩ으로 구성한다. Op Amp의 이득이 충분할 때 virtual short 상태에서 LED에 흐르는 전류는 피드백 저항에 흐르는 전류와 같아진다. 입력 전압을 0V에서 10V까지 변화시켜 LED 출력전류의 변화를 관찰한다.

• 3. 피드백 회로의 특성 분석

  Series-Shunt 회로에서 입력저항을 10kΩ, 부하저항을 100Ω으로 변경해도 입출력 이득은 변하지 않는다. 전원 전압이 4V 이상일 때 출력전압이 일정하게 유지되는 것은 MOSFET 채널이 형성되어 전류가 포화되기 때문이다. Series-Series 회로에서 입력저항 증가와 피드백 저항 감소 시 출력 전류가 증가한다.

• 4. Op Amp 피드백 증폭기의 동작 원리

  피드백 증폭기는 Op Amp의 높은 이득을 이용하여 두 입력 단자가 virtual short 상태를 유지한다. Series-Shunt 구조에서는 출력 전압이 피드백되고, Series-Series 구조에서는 출력 전류가 피드백된다. 피드백 저항 값에 의해 출력 특성이 결정되며, 전원 전압 변화에 대한 영향은 구조에 따라 다르다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

• 1. Series-Shunt 피드백 증폭기

  Series-Shunt 피드백 증폭기는 입력 신호를 직렬로 받고 출력 신호를 병렬로 피드백하는 구조로, 전압 증폭기 설계에 매우 효과적입니다. 이 구성은 입력 임피던스를 증가시키고 출력 임피던스를 감소시켜 신호 전달 특성을 개선합니다. 특히 고주파 응용에서 안정성이 우수하며, 이득 안정화와 대역폭 확장에 탁월합니다. 다만 회로 설계가 복잡하고 부품 수가 많아 비용이 증가할 수 있다는 단점이 있습니다. 실무에서는 오디오 증폭기와 RF 수신기 등에 널리 적용되고 있으며, 적절한 피드백 계수 설정으로 우수한 성능을 얻을 수 있습니다.

• 2. Series-Series 피드백 증폭기

  Series-Series 피드백 증폭기는 입력과 출력 모두에서 직렬 피드백을 적용하는 구조로, 전류 증폭기 특성을 제공합니다. 이 구성은 입력 임피던스와 출력 임피던스를 모두 증가시켜 고임피던스 회로 설계에 유리합니다. 이득 안정화 성능이 뛰어나고 비선형 왜곡을 효과적으로 감소시킵니다. 그러나 회로 구현이 복잡하고 안정성 분석이 어려울 수 있습니다. 정밀 계측 장비와 고임피던스 센서 응용에서 매우 유용하며, 신중한 설계를 통해 탁월한 성능을 달성할 수 있습니다.

• 3. 피드백 회로의 특성 분석

  피드백 회로의 특성 분석은 증폭기 성능을 이해하는 핵심 요소입니다. 루프 이득, 폐루프 이득, 대역폭, 입출력 임피던스 등을 체계적으로 분석해야 합니다. 나이퀴스트 안정성 판정법과 보드 선도를 활용한 주파수 응답 분석이 중요하며, 위상 여유와 이득 여유를 확보해야 안정적인 동작을 보장합니다. 피드백 계수와 루프 이득의 관계를 정확히 파악하면 원하는 특성을 설계할 수 있습니다. 실제 회로에서는 기생 성분과 비이상적 특성을 고려한 상세 분석이 필수적이며, 이를 통해 신뢰성 높은 증폭기를 구현할 수 있습니다.

• 4. Op Amp 피드백 증폭기의 동작 원리

  Op Amp 피드백 증폭기는 높은 개루프 이득과 피드백을 활용하여 안정적이고 정확한 증폭을 구현합니다. 가상 단락(virtual short) 개념을 통해 비반전 입단자와 반전 입단자의 전압이 같다고 가정하면 회로 분석이 단순화됩니다. 피드백 저항의 비율로 폐루프 이득이 결정되어 부품 공차에 덜 민감합니다. 이상적인 Op Amp 모델을 사용하면 설계가 용이하지만, 실제 회로에서는 유한한 이득, 주파수 특성, 슬루율 등을 고려해야 합니다. Op Amp 피드백 증폭기는 정밀 계측, 신호 처리, 아날로그 필터 등 다양한 응용에서 필수적인 구성입니다.