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1. Op Amp를 이용한 다양한 Amplifier 설계 예비보고서

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최초등록일 2025.07.22 최종저작일 2022.03
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1. Op Amp를 이용한 다양한 Amplifier 설계 예비보고서
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    목차

    1. 목적
    2. 준비물 및 유의사항
    3. 설계실습 계획서

    본문내용

    1. 목적
    출력저항이 큰 센서의 출력신호를 증폭하는 Inverting, Non-inverting, summing Amplifier를 설계, 구현, 측정, 평가한다.

    2. 준비물 및 유의사항
    Function Generator 1대
    Oscilloscope(2channel) 1대
    DC Power Supply(2channel) 1대
    Op Amp
    LM741CN 2개
    DMM 1 대Resistor 1kΩ, 10kΩ, 100kΩ, 1MΩ, 5% 1개
    Variable Resistor 가변저항 20kΩ, 1/2W 4개
    점퍼선 :다수

    3. 설계실습 계획서
    3.1 센서 측정 및 등가회로
    출력신호가 주파수 2 KHz 의 정현파인 어떤 센서의 출력전압을 오실로스코프 (입력임피던스 = 1 MΩ)로 직접 측정하였더니 peak to peak 전압이 200 mV 이었고 센서의 부하로 10 KΩ 저항을연결한 후 10 KΩ 저항에 걸리는 전압을 역시 오실로스코프로 측정하였더니 peak to peak 전압이100 mV 이었다

    (A) 센서의 Thevenin 등가회로를 구하는 과정을 기술하고 센서의 Thevenin 등가회로를 PSPICE로 그려서 제출한다.
    센서의 Thevenin 등가회로를 구하기 위해 먼저 Vth와 Rth를 구해야 한다. 큰 입력 임피던스를 가지는 오실로스코프에 직접 출력전압을 측정한 결과과 0.2Vpp인 것으로 보아 Vth = 0.2Vpp임을 알아낼 수 있다. 10kΩ의 저항에 연결한 후 출력전압의 측정 결과는 0.1Vpp이다. 0.2Vpp의 절반이므로 Rth는 부하저항과 동일한 10kΩ임을 알 수 있다.

    (B) 센서의 Thevenin 등가회로를 Function generator와 저항으로 구현하려할 때 Function generator의 출력을 얼마로 설정해야하는가? Function generator의 출력저항은 50Ω이며 전면에 표시되는 출력전압은 50Ω의 부하가 연결되었을 때 이 부하에 걸리는 전압을 의미한다.

    참고자료

    · 없음

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    • 1. Inverting Amplifier 설계
      Inverting Amplifier는 연산증폭기(Op-Amp)의 기본적이면서도 매우 실용적인 응용 회로입니다. 이 회로는 입력 신호를 반전시키면서 동시에 증폭하는 기능을 수행하며, 피드백 저항의 비율로 이득을 정확하게 제어할 수 있다는 장점이 있습니다. 설계 시 입력 임피던스, 출력 임피던스, 대역폭 등을 고려해야 하며, 특히 Op-Amp의 특성과 피드백 저항의 정확도가 회로의 성능을 크게 좌우합니다. 실제 응용에서는 주파수 특성, 노이즈, 오프셋 전압 등의 비이상적 특성을 보정하기 위해 보상 회로가 필요할 수 있습니다. 이 회로는 신호 처리, 필터링, 적분 등 다양한 분야에서 널리 사용되므로 전자공학 학습의 필수 요소입니다.
    • 2. Non-Inverting Amplifier 설계
      Non-Inverting Amplifier는 입력 신호의 위상을 유지하면서 증폭하는 회로로, Inverting Amplifier보다 높은 입력 임피던스를 제공합니다. 이는 신호원에 미치는 부하를 최소화하므로 센서 신호 처리에 매우 적합합니다. 이득은 피드백 저항의 비율로 결정되며, 1보다 큰 이득을 쉽게 구현할 수 있습니다. 설계 시 입력 바이어스 전류, 오프셋 전압, 슬루율 등 Op-Amp의 실제 특성을 고려해야 합니다. 또한 안정성을 위해 적절한 보상 회로가 필요할 수 있으며, 고주파 특성을 개선하기 위해 피드백 경로에 커패시터를 추가할 수 있습니다. 이 회로는 의료기기, 계측기, 오디오 장비 등 광범위한 응용 분야에서 사용됩니다.
    • 3. 센서의 Thevenin 등가회로
      Thevenin 등가회로는 복잡한 센서 회로를 간단한 전압원과 직렬 저항으로 모델링하는 강력한 도구입니다. 센서의 실제 동작을 이해하고 신호 조절 회로를 설계할 때 필수적입니다. Thevenin 전압은 개방 회로 전압이고, Thevenin 저항은 모든 독립 전원을 제거했을 때의 입력 임피던스입니다. 센서 설계자는 이 등가회로를 통해 센서의 출력 임피던스, 최대 출력 전류, 부하 특성 등을 명확히 파악할 수 있습니다. 실제 센서는 온도, 습도, 주파수 등에 따라 Thevenin 파라미터가 변할 수 있으므로, 이를 고려한 신호 조절 회로 설계가 중요합니다. 이 개념은 회로 해석의 기초이며, 센서 인터페이싱 설계에 매우 유용합니다.
    • 4. Summing Amplifier 설계
      Summing Amplifier는 여러 입력 신호를 가중합산하는 회로로, 신호 처리 시스템에서 매우 중요한 역할을 합니다. 각 입력에 연결된 저항의 값을 조절하여 각 신호의 가중치를 독립적으로 제어할 수 있으며, 출력은 모든 입력의 가중합을 반전시킨 형태입니다. 설계 시 입력 저항의 정확도, Op-Amp의 입력 바이어스 전류, 오프셋 전압 등을 고려해야 합니다. 특히 많은 수의 입력을 처리할 때는 입력 임피던스 불일치로 인한 오류를 최소화하기 위해 신중한 설계가 필요합니다. 이 회로는 오디오 믹싱, 데이터 수집 시스템, 제어 시스템 등에서 광범위하게 사용되며, 아날로그 신호 처리의 핵심 구성 요소입니다.

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