PART8연산증폭회로(OP AMP)
목적
- 1.Inverting AMP의 특성에 대하여 알아본다.
- 2.DC Offset의 특성을 실험을 통하여 알아본다.
- 3.Non-Inverting AMP의 특성을 실험을 통하여 알아본다.
- 4.Differential AMP의 특성을 실험을 통하여 알아본다.
- 5.Summing AMP의 특성을 실험을 통하여 알아본다.
실험 1 :반전 증폭기 (Inverting Amplifier)
이론
그림 8-2은 OP-Amp를 반전증폭기로 결선한 것이다. 이것은 입력신호를 R1을 통해서 반전입력(-) 단자에 가하기 때문이다. R1을 입력요소라 하고, R2를 궤환 요소라 한다. 반전증폭기에 대한 출력전압은 다음 식으로 표현된다.
![V_O=-[R2/R1] V_i](../image/part8/formal8.1.gif)
위 식에서 보면, 입력신호 전압에 대하여 출력전압은 위상이 반전이 되어 나타난다. 즉, 180도의 위상차가 난다. 폐루프 이득(ACL)은 다음 식과 같이 정의된다.
![A_L=A_OL/A_CL =A_OL [R1/R2]](../image/part8/formal8.2.gif)
결과적으로 반전증폭기의 전압이득은 1.0 이하, 1.0 이상 혹은 1.0과 같게 할 수가 있다. 이득의 크기는 저항 R1과 R2에 의해서 결정된다. 루프이득(AL)은 다음 식과 같다.
![A_L=A_OL/A_CL =A_OL [R1/R2]](../image/part8/formal8.3.gif)
여기서 AOL은 개루프 이득을 나타낸다. 반전증폭기의 입력임피던스는 입력요소 R1에 의해서 간단하게 되며, 비반전 증폭 회로의 입력임피던스보다 훨씬 적게 될 수 있다. 회로의 출력임피던스(Zo)는 다음 식과 같이 OP-Amp고유의 출력임피던스와 회로의 루프이득에 의해서 결정된다. 즉, 다음과 같다.
![Z_O=Z_Oi/A_L =Z_Oi [R2/(A_OL R1)]](../image/part8/formal8.4.gif)
여기서 ZOi : 제조회사 사양서에서 정해진
OP-Amp 고유의 출력 임피던스
R1과 R2가 같은 특별한 경우에 대해서 이득이 1.0 인 반전증폭기로 되며, 이것은 출력신호의 크기는 그대로 입력신호와 같고, 극성만 반전시킬 때 사용되고 있다.
기본 반전증폭기의 폐루프이득은 그림 8-3와 같이 다른 궤환 저항을 바꿈으로써 제어할 수 있다. 한편, 아날로그 스위치(예를 들면, 4016 CMOS)를 사용하면 그림 8-4과 같이, OP-Amp의 전압이득을 디지털적으로 제어할 수 있게 된다.
4016 CMOS는 ON상태의 저항이 보통 300Ω이며, 따라서 이 스위치 제어 시 각 폐루프에 대한 전압이득의 계산은 궤환저항의 저항값에 ON상태의 저항 300Ω을 감안하여 설계하면 된다. 아날로그 스위치는 디지털 회로에 의해 쉽게 제어될 수 있다.
실험 과정
1. M-08의 회로-1에서 그림 8-5와 같이 반전 증폭기를 구성한다.
2. R2를 최대(SW를 모두 “H”상태로 전환)로 하고 1a-1b를 연결한 후, Vo가 0V가 되도록 R3를 가변하여 Offset를 조정한다.
3. 입력전압을 DC 1V로 하여 1a-1b 단잔에 인가하고, 궤환요소 R2의 갑을 표 8-1에서와 같이 변화시키면서 1f-1g 단자의 출력전압을 측정하여 해당란에 기록한다. 측정한 출력전압을 가지고 전압이득을 계산하여 기록하여라.
4. 두 번째 실험을 위해, 입력전압을 1Vp-p로 하여 주파수를 표 8-2에 주어진 것과 같이 변화시키면서 R2의 값이 10kΩ, 100kΩ일 경우에 대하여 출력전압을 측정하여 해당란에 기록한다. 그리고 전압이득을 계산하여 기록한다.
tab1실험 8-1.1 Inverting Amp 실험 (M-08의 Circuit-1에서 그림 8-5와 같이 반전 증폭기 회로를 구성한다.)
직류 반전증폭 실험
1.1. 결선방법(M-08의 Circuit-1)
1.전원 결선
내부적으로 연결되어 있다.
2.계측기 결선
함수 발생기 결선
전면 패널 Signal Output의 BNC단자에 BNC 케이블을 연결하고, 적색 리드선을 Circuit- 1의 1a 단자에, 흑색 리드선을 1b 단자에 연결한다.
전압계 결선
전면패널 Multimeter의 High 단자와 Circuit-1의 1f 단자 간을 적색선으로,, Low 단자와 1g 단자 간을 흑색선으로 연결한다.
2.결선도
flash
3.측정 방법
- 1Touch LCD 패널에서 analog output 을 선택하고 DC Source를 클릭한 후 DC Voltage를 1V로 설정한다.
- 2offset 설정
Touch LCD 패널의 좌측 메뉴에서 dmm 을 선택하고, 를 선택한다.
R2를 최대(R2 설정 SW를 모두 "H"상태로 전환)로 하고 Circuit 1의 Output V0가 0V가 되도록 R3를 가변하여 offset을 조정한다.
0V가 되면 모두 "L"상태로 전환한다.
- 3측정
R2 설정 SW(8, 4, 2, 1)중 SW 1을 “H”로 전환하여 R2값이 10kΩ가 되도록 한다.
전면 패널 좌측 하단부에 있는 quick launch 를 선택한 다음 analogOutput 을 클릭하고, 상단의 function 에서 을 클릭하여 DC Source가 나오도록 하고 을 클릭하여 DMM에 측정된 값을 표 8-1의 해당 란에 기록한다.
R2 설정 SW(8, 4, 2, 1)를 표 8-1에서와 같이 변화시키면서 Output 출력전압을 측정하여 해당란에 기록하여라.
R2 설정 SW(8, 4, 2, 1)를 이용한 저항값 설정 방법
R2 설정 SW(8, 4, 2, 1)를 이용한 저항값 설정 방법 R2[㏀] 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 SW
8421LLLH LLHL LLHH LHLL LHLH LHHL LHHH HLLL HLLH HLHL - 4DC Source의 을 클릭하여 입력 전압을 차단한다.
4.계산
1. 표 8-1의 R2의 값과 Circuit 1의 R1 저항값으로 출력전압을 아래 식으로 계산하여 기록하시오.
2. 표 8-1의 측정값을 가지고 폐루프 이득(ACL)을 아래 식에 의하여 계산하여 기록하시오.
교류 반전증폭 실험
1.결선방법(M-08의 Circuit-1)
1.전원 결선
내부적으로 연결되어 있다.
2.계측기 결선
함수 발생기 결선
전면 패널 Signal Output의 BNC단자에 BNC 케이블을 연결하고, 적색 리드선을 Circuit 1의 1a 단자에, 흑색 리드선을 1b 단자에 연결한다.
전압계 결선
전면패널 Signal Input의 CH A의 A+ 단자와 Circuit 1의 1a 단자 간을 적색선으로,, A-단자와 1b 단자 간을 흑색선으로 연결한다.
전면패널 Signal Input의 CH B의 B+ 단자와 Circuit 1의 1f 단자 간을 적색선으로,, B-단자와 1g 단자 간을 흑색선으로 연결한다.
2.결선도
flash
3.측정 방법
- 1R2를 설정 SW를 모두 "L"상태로 전환한다.
Touch LCD패널에서 analog output 을 선택한 다음, Function Generator의 Amplitude Range를 , Amplitude를 amplitude 50%로 설정한다. Signal을 으로, Frequency를 을 선택하여 frequency 10hz가 되도록 한다.
을 클릭하여 Function Generator의 출력을 Circuit-1 입력에 가한다.
- 2측정
R2 설정 SW(8, 4, 2, 1)중 SW 1을 “H”로 전환하여 R2값이 10kΩ가 되도록 한다.
전면 패널 analog input 을 선택한 후, Volt & Ampere Meter 탭을 선택하고 CH A, CH B에서 , , 를 클릭하여 측정된 값을 표 8-2의 해당 란에 기록한다.
R2의 값이 10kΩ, 100kΩ 일 경우에 대하여 출력전압을 측정하여 해당란에 기록하고 표 8-2에 주어진 주파수에 따라 측정을 반복하여 기록한다.
4.계산
1. 표 8-2의 측정값을 가지고 폐루프이득(ACL)을 아래 식에 의하여 계산하여 기록하시오.