중앙대학교 전자회로설계실습 예비보고서1(분반1등)

문서 내 토픽

1. 센서 Thevenin 등가회로 구현

센서의 출력 전압을 오실로스코프로 측정하였을 때 200mV(peak to peak)가 측정되었다. V_th(=Vampl)의 크기는 100mV으로, peak to peak 값은 100mV*2= 200mV가 된다. 10kΩ의 부하 저항에 흐르는 전압을 측정해보니 100mV(peak to peak)가 측정되었다. 오실로스코프의 입력 임피던스 값은 부하 저항에 비해 매우 큰 값이고, 전류는 모두 부하 저항 쪽으로 흐르게 될 것이다. 우리는 전압 분배 법칙에 의해 계산을 해보면 100mV = 의 수식을 사용할 수 있으며 이를 통해 계산된 R_th 값은 10kΩ이 된다. 이를 이용하여 Thevenin 등가회로를 Pspice 프로그램을 이용하여 그리면 위와 같다.
2. Inverting Amplifier 설계 및 시뮬레이션

3.1에서 설계한 Thevenin 등가회로를 741 AMP의 (-) 단자와 연결한 회로를 구성한다. AMP의 (+) 단자는 그라운드에 연결하고, 4,7번 게이트에는 15V를 입력 받을 수 있도록 설정한다. 입력한 신호 200mV(Vpp)에 대해 1Vpp의 출력을 얻기 위해선 Closed-loop Gain은 -5이어야한다. 이를 이용하면 G = -5 = , R1은 50kΩ의 값을 가지는 회로를 구성해야 한다. 이를 이용한 시뮬레이션 파형은 다음과 같다. 초록색 파형은 입력 전압, 200mV(Vpp), 빨간색 파형은 출력 전압으로 1V(Vpp)를 나타내는 것을 확인할 수 있다. 또한 Inverting amp의 Gain 특성상 위상이 뒤바뀐다는 것도 확인할 수 있다.
3. Non-Inverting Amplifier 설계 및 시뮬레이션

Non inverting Amp의 Closed loop Gain, G= 1 + 로 계산된다. 5의 Gain을 얻기 위해선 의 값을 4로 맞춰야 하고, 이는 정수 비만 만족하면 되기 때문에 저항의 비율만 맞춰서 회로를 구성하면 된다. 필자는 R1 = 10kΩ, R2 = 40kΩ로 구성하여 회로를 설계하였다. 시뮬레이션 파형은 다음과 같다. Non inverting amp의 특성상 위상 차가 발생하지 않으며, 초록색입력 전압에 대해 5배 증가된 붉은색 출력 파형이 나타난다.
4. Summing Amplifier 설계 및 시뮬레이션

먼저 V1의 신호에 대해 좌측 amp로 Inverting Gain, G=-10을 얻는다. R2와 R3가 연결되어 있는 사이의 전압을 Vx라고 할 때, Vx = -10*V1의 전압을 가지고 있다. 먼저 Vx에 대해 Inverting Gain, G = -1을 얻어 출력은 -Vx(=10*V1)을 얻는다. 다음 V2와 R5, R4에 대해 Inverting Gain, G = -1을 얻는다. 이로 얻는 출력은 -V2이다. 따라서 최종 출력은 10V1-V2의 출력을 얻는다. 시뮬레이션 결과는 다음과 같다. 초록색 파형이 V1, 붉은색 파형이 V2, 파란색 파형이 출력 전압을 나타내는 파형, 즉 10V1-V2가 나타난다.
5. Op Amp 주파수 특성 분석

같아지는 시점을 분석해본 결과 약 800kHz 인 것으로 확인되었다. 이는 약 800kHz 이하의 낮은 주파수에서는 일정한 Gain 값을 가지지만, 이보다 비슷하거나 높은 주파수에서는 Amp의 Gain 값이 조금씩 낮아져 제대로 된 기능을 수행하지 못할 것이다.
6. Inverting Amplifier와 Non-Inverting Amplifier 비교

Inverting 증폭기가 전압을 구하는 데 그나마 더 쉽다고 느껴졌다. 또한 입력 신호에 대해 위상을 바꿀 수 있다는 장점이 있는 것 같다.
7. Function Generator 출력 설정

Function generator의 출력 저항은 50Ω이며 전면에 표시되는 출력전압은 50Ω의 부하가 연결되었을 때 이 부하에 걸리는 전압을 의미한다. 센서의 저항은 10kΩ을 가지고 있다. Function generator의 출력 전압은 센서에 걸리는 전압과 분배 식을 사용하여 V * = 200mV, V = 201mV(Vpp)이라고 구할 수 있다. Function generator에 발생하는 전압은 표시되는 값의 두 배가 나타나므로, 201mV(Vpp)/2 = 100.5mV로 설정하여야 한다.
8. Amplifier 출력 왜곡 현상

입력 전압이 3V일 때 파형입력 전압이 3.1V일 때 파형센서의 출력전압이 3V, 즉 6 Vpp일 때부터 왜곡이 점점 보이는 것으로 분석되었다. 이는 Amplifier의 출력전압의 값이 공급되는 전압 15V보다 커지게 되면서 saturation 현상이 일어나는 것으로 해석할 수 있다.
9. Inverting Amplifier와 Non-Inverting Amplifier 출력 비교

R1, R2를 바꾼 회로는 위와 같다. 이 상황에선 Gain = 1 + = 1 + 10 = 11로 바뀐다. 따라서 입력 전압 100mV에 대해서 1.1V의 출력 전압을 가지는 시뮬레이션 파형이 나타나는 것을 알 수 있다. (A)에선 출력이 입력에 대해 5배 커졌지만 이 회로는 입력 전압에 대해 11배 커지는 출력 전압을 가진다.
10. 오실로스코프 설정

입력 파형은 200mV(Vpp)의 값을 나타내기 때문에 50mV/Div로 설정한다면 총 세로 칸 8칸에 대해서 적당한 크기의 파형을 관찰할 수 있을 것이다. 가로는 총 10칸으로 T = 가 한 주기이므로 0.1ms/Div 로 설정하면 두 주기 정도를 관찰할 수 있을 것이다. Ch2인 출력 파형은 1V(Vpp)이므로 세로 축은 200mV/Div, 가로 축은 마찬가지로 0.1ms/Div로 설정하면 될 것이다.
11. 시뮬레이션 결과 분석

목표 출력전압과 시뮬레이션 출력전압은 거의 비슷한 값을 나타냈다. 입력 전압은 200mV(Vpp), amp를 통해 증폭된 출력 전압은 1V(Vpp) 값을 확인하였다. 하지만 그래프를 자세히 확대해보면 부드러운 부분이 아닌 꺾인 부분을 찾아볼 수 있다. 이는 프로그램을 실행하는 시간 간격 때문이라고 생각된다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

1. 센서 Thevenin 등가회로 구현

센서 Thevenin 등가회로 구현은 센서 출력 신호를 효과적으로 처리하고 분석하는 데 매우 중요한 기술입니다. Thevenin 등가회로를 통해 센서의 출력 임피던스와 내부 전압원을 모델링할 수 있으며, 이를 활용하여 센서 신호의 정확한 측정과 분석이 가능합니다. 이 주제에 대한 깊이 있는 이해와 실습은 센서 기반 시스템 설계 및 개발에 필수적입니다. 센서 Thevenin 등가회로 구현에 대한 이론적 배경과 실습을 통해 센서 신호 처리 기술을 향상시킬 수 있을 것입니다.
2. Inverting Amplifier 설계 및 시뮬레이션

Inverting Amplifier는 op-amp 기반 회로 설계에서 매우 중요한 기능을 수행합니다. 이 주제에 대한 깊이 있는 이해와 실습을 통해 op-amp의 기본 동작 원리와 응용 회로 설계 능력을 향상시킬 수 있습니다. Inverting Amplifier 설계 및 시뮬레이션을 통해 op-amp의 이득, 입력 임피던스, 출력 임피던스 등의 특성을 파악하고, 실제 회로 구현 시 발생할 수 있는 문제점을 사전에 예측하고 해결할 수 있습니다. 이러한 경험은 다양한 op-amp 기반 회로 설계에 활용될 수 있을 것입니다.
3. Non-Inverting Amplifier 설계 및 시뮬레이션

Non-Inverting Amplifier는 op-amp 기반 회로 설계에서 매우 유용한 회로 구조입니다. 이 주제에 대한 이해와 실습을 통해 op-amp의 기본 동작 원리와 응용 회로 설계 능력을 향상시킬 수 있습니다. Non-Inverting Amplifier 설계 및 시뮬레이션을 통해 op-amp의 이득, 입력 임피던스, 출력 임피던스 등의 특성을 파악하고, 실제 회로 구현 시 발생할 수 있는 문제점을 사전에 예측하고 해결할 수 있습니다. 이러한 경험은 다양한 op-amp 기반 회로 설계에 활용될 수 있을 것입니다.
4. Summing Amplifier 설계 및 시뮬레이션

Summing Amplifier는 op-amp 기반 회로 설계에서 매우 유용한 회로 구조입니다. 이 주제에 대한 이해와 실습을 통해 op-amp의 기본 동작 원리와 응용 회로 설계 능력을 향상시킬 수 있습니다. Summing Amplifier 설계 및 시뮬레이션을 통해 op-amp의 이득, 입력 임피던스, 출력 임피던스 등의 특성을 파악하고, 실제 회로 구현 시 발생할 수 있는 문제점을 사전에 예측하고 해결할 수 있습니다. 이러한 경험은 다양한 op-amp 기반 회로 설계에 활용될 수 있을 것입니다.
5. Op Amp 주파수 특성 분석

Op Amp의 주파수 특성 분석은 op-amp 기반 회로 설계에서 매우 중요한 부분입니다. 이 주제에 대한 이해와 실습을 통해 op-amp의 동작 주파수 범위, 대역폭, 게인-대역폭 곱 등의 특성을 파악할 수 있습니다. 이를 통해 op-amp 기반 회로의 동작 주파수 범위를 예측하고, 회로 설계 시 주파수 특성을 고려할 수 있습니다. 또한 op-amp의 주파수 특성 분석은 회로 안정성 및 성능 향상을 위해 필수적입니다. 이러한 경험은 다양한 op-amp 기반 회로 설계에 활용될 수 있을 것입니다.
6. Inverting Amplifier와 Non-Inverting Amplifier 비교

Inverting Amplifier와 Non-Inverting Amplifier는 op-amp 기반 회로 설계에서 매우 중요한 회로 구조입니다. 이 두 회로의 특성을 비교하고 분석하는 것은 op-amp 회로 설계 능력을 향상시키는 데 도움이 됩니다. Inverting Amplifier와 Non-Inverting Amplifier의 이득, 입력 임피던스, 출력 임피던스, 신호 극성 등의 차이점을 이해하고, 각 회로의 장단점을 파악할 수 있습니다. 이를 통해 op-amp 기반 회로 설계 시 적절한 회로 구조를 선택할 수 있습니다. 이러한 비교 분석 경험은 다양한 op-amp 응용 회로 설계에 활용될 수 있을 것입니다.
7. Function Generator 출력 설정

Function Generator는 다양한 전자 회로 및 시스템 설계와 테스트에 필수적인 장비입니다. Function Generator의 출력 신호 특성을 이해하고 적절히 설정하는 것은 회로 동작 분석과 성능 평가에 매우 중요합니다. 이 주제에 대한 이해와 실습을 통해 Function Generator의 출력 파형, 주파수, 진폭, 오프셋 등의 설정 방법을 익히고, 이를 활용하여 회로 동작을 효과적으로 분석할 수 있습니다. 이러한 경험은 다양한 전자 회로 및 시스템 설계와 테스트에 활용될 수 있을 것입니다.
8. Amplifier 출력 왜곡 현상

Amplifier 출력 왜곡 현상은 op-amp 기반 회로 설계에서 매우 중요한 고려 사항입니다. 이 주제에 대한 이해와 분석을 통해 Amplifier의 선형성, 클리핑, 슬루율 등의 특성을 파악하고, 실제 회로 구현 시 발생할 수 있는 출력 왜곡 문제를 사전에 예측하고 해결할 수 있습니다. 또한 Amplifier 출력 왜곡 현상에 대한 분석 경험은 회로 설계 시 적절한 Amplifier 선택과 회로 구조 설계에 활용될 수 있습니다. 이러한 지식과 경험은 다양한 op-amp 기반 회로 설계에 도움이 될 것입니다.
9. Inverting Amplifier와 Non-Inverting Amplifier 출력 비교

Inverting Amplifier와 Non-Inverting Amplifier는 op-amp 기반 회로 설계에서 매우 중요한 회로 구조입니다. 이 두 회로의 출력 특성을 비교하고 분석하는 것은 op-amp 회로 설계 능력을 향상시키는 데 도움이 됩니다. Inverting Amplifier와 Non-Inverting Amplifier의 출력 신호 크기, 극성, 임피던스 등의 차이점을 이해하고, 각 회로의 장단점을 파악할 수 있습니다. 이를 통해 op-amp 기반 회로 설계 시 적절한 회로 구조를 선택할 수 있습니다. 이러한 비교 분석 경험은 다양한 op-amp 응용 회로 설계에 활용될 수 있을 것입니다.
10. 오실로스코프 설정

오실로스코프는 전자 회로 및 시스템 분석에 필수적인 장비입니다. 오실로스코프의 다양한 설정 옵션을 이해하고 적절히 활용하는 것은 회로 동작 분석과 성능 평가에 매우 중요합니다. 이 주제에 대한 이해와 실습을 통해 오실로스코프의 수직 및 수평 스케일, 트리거 설정, 측정 모드 등을 익히고, 이를 활용하여 회로 동작을 효과적으로 분석할 수 있습니다. 이러한 경험은 다양한 전자 회로 및 시스템 분석에 활용될 수 있을 것입니다.
11. 시뮬레이션 결과 분석

전자 회로 및 시스템 설계 과정에서 시뮬레이션은 매우 중요한 역할을 합니다. 시뮬레이션 결과를 정확히 분석하고 해석하는 능력은 실제 회로 구현과 성능 검증에 필수적입니다. 이 주제에 대한 이해와 실습을 통해 시뮬레이션 결과의 파형, 전압/전류 값, 주파수 특성 등을 분석하고 해석할 수 있습니다. 또한 시뮬레이션 결과와 실제 회로 동작의 차이를 파악하고 이를 해결하는 방법을 모색할 수 있습니다. 이러한 경험은 다양한 전자 회로 및 시스템 설계와 구현에 활용될 수 있을 것입니다.

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