PART8연산증폭회로(OP AMP)
실험 2 :직류 offset
이론
이상적인 OP-Amp라면 입력전압이 “0”일 때 출력전압이 “0”이다. 그러나 실제의 OP-Amp는 약간의 출력값을 가지게 된다. 즉, 입력이 접지되어 있어도 완전히 출력이 "0"이 되지 않는다. 이 직류 출력전압을 출력 오프셋 전압이라고 한다. 직류 출력 오프셋 전압은 다음 세 항의 결과로 나타난다.
- 입력 오프셋 전류
- 입력 바이어스 전류
- 입력 오프셋 전압
입력 바이어스전류는 OP-Amp가 적당하게 동작하도록 OP-Amp 두입력(+, - 단자)에 가해져야 한다. 그림 8-6의 반전 증폭기에 대해서 설명하면, 입력 바이어스전류는 입력신호가 없어도 두 입력단자와 궤환 저항을 통해서 흐르게 된다. 옴의 법칙에 의해서 알고 있는 저항을 통해서 전류가 흐를 때, 두 저항 양단에 걸리게 된다. (V=IR)
여기서 OP-Amp의 비반전입력은 접지되었으므로 전압은 이 저항양단에서 직류 입력전압으로 나타나고, 이것이 OP-Amp에 의해서 증폭된다. 그림 8-6의 반전 증폭기 회로에 대한 출력전압(VOS)은 입력 바이어스전류 (Ib)의 결과로 발생된다.
입력 바이어스 전류에 기인되는 출력 오프셋 전압을 교정하는 일반적인 방법은 그림 8-7과 같이 비반전(+) 입력단자와 접지 사이에 저항 R3를 삽입하는 방법이다. 부가되는 이 저항값은 R1과 R2를 병렬 합성한 값과 같다.
그래서 R3의 양단전압은 R1과 R2의 병렬합성 저항 양단전압의 크기와 같고 극성이 반대가 된다. 두 전압이 크기가 같고 극성이 반대이므로 서로 상쇄된다. 그러나 위의 내용은 두 입력단자에 흐르는 바이어스 전류가 같다는 것을 뜻한다. 불행하게도 일반적인 OP-Amp에서 두 바이어스 전류가 정확하게 같지 않고, Ib의 값은 두 입력 바이어스전류의 평균치가 된다. 입력 오프셋전류 IOS라는 두 바이어스전류의 차이가 존재하기 때문에 직류출력 오프셋전압이 약간 존재하게 되며, 그것은 다음과 같이 된다.
출력 오프셋전압의 또 하나의 원인은 OP-Amp의 입력 오프셋 전압에 기인되는데, 이것은 내부회로와 OP-Amp의 외부회로와의 부정합(mis-matches)에서 야기된다.
이상의 출력 offset은 입력이 없음에도 약간이나마 출력전압이 있게 되는 문제를 해결하려는 것이었다. 그러나 어떤 경우에는 DC offset 출력을 필요로 하게 되며, 따라서, M-8의 회로-2 및 회로-3과 같은 회로를 이용하는 방법도 있다.
그림 8-8과 같이 비반전증폭 회로에 대하여 입력 오프셋전압 Voi는 이상적인 OP-Amp의 비반전(+)입력에 직렬로 배터리를 연결한 것으로 표현될 수 있다. 그림 8-8의 회로에서 직류 출력 오프셋전압은 입력 오프셋전압의 결과로써 계산된다.
![V_OS=[1+R2/R1] V_oi](../image/part8/formal8.8.gif)
실험 과정
1. 반전 증폭기의 오프셋 전압 실험을 위해 M-08의 회로-2를, 비반전 증폭기의 실험을 위해 회로-3을 사용한다.
2. 200mVp-p 1kHz의 구형파(square wave)를 2a-2b와 3a-3b 입력단자에 인가하고, 각각 R5를 조절하여 출력 오프셋 전압을 표 8-3의 값으로 만든 후 각각에 대한 출력 파형을 그려라.
3. 100mV(rms) 100Hz의 사인파(sine wave)를 2a-2b와 3a-3b 입력단자에 인가하고, 각각 R5를 조절하여 출력 오프셋 전압을 표 8-4의 값으로 만든 후 각각에 대해 출력 파형을 그려라.
tab1실험 8-2.1 직류 Offset 실험 (M-08의 Circuit-2, Circuit-3 회로로 구성한다.)
반전 증폭기
1.결선방법(M-08의 Circuit-2)
1.전원 결선
내부적으로 연결되어 있다.
2.계측기 결선
함수 발생기 결선
전면 패널 Signal Output의 BNC단자에 BNC 케이블을 연결하고, 적색 리드선을 Circuit 2의 2a 단자에, 흑색 리드선을 2b 단자에 연결한다.
Signal Input 결선
전면패널 Signal Input의 CH A의 A+ 단자와 Circuit-2의 2a 단자 간을 적색선으로,, A-단자와 2b 단자 간을 흑색선으로 연결한다.
전면패널 Signal Input의 CH B의 B+ 단자와 Circuit-2의 2e 단자 간을 적색선으로, B-단자와 2f 단자 간을 흑색선으로 연결한다.
별도의 DIgital Multimeter의 결선
별도의 Digital Multimeter의 DC 전압 측정 레인지를 선택하고 적색 리드선을 Circuit-2의 2e 단자에, 흑색 리드선을 2f 단자에 각각 연결한다.
2.결선도
flash
3.측정 방법
200 mVp-p 1kHz의 구형파(square wave) 측정
- 1Touch LCD패널에서 analog output 을 선택한 다음, Function Generator의 Amplitude Range를 , Amplitude를 amplitude 100%로 설정한다.
Signal을 , 으로, Frequency를 을 선택한다. 그 다음 1kHz 가 되도록 한 다음 을 클릭하여 Function Generator의 출력을 Circuit-2 입력에 가한다.
- 2Touch LCD 패널에서 analog input 을 선택한 다음 Oscilloscope 탭에서 다음 그림과과 같이 설정하고, R5 가변하여 출력 오프셋 전압이 0V가 되도록 조정한다.
CH A의 Y-POS와 CH B의 Y-POS를 아래 그림과 같이 마커가 위치하도록 조정한다.
- 3출력 오프셋 전압 설정에 따른 측정.
R5를 가변하여 출력 오프셋 전압을 표 8-3의 값으로 만든 후 출력 파형을 그린다.
100mV(rms) 100Hz의 사인파(sine wave) 측정
- 1Touch LCD패널에서 analog output 을 선택한 다음, Function Generator의 Amplitude Range를 , Amplitude를 amplitude 15%로 설정한다.
Signal을 으로, Frequency를 을 선택하여 1khz가 되도록 한 다음 을 클릭하여 Function Generator의 출력을 Circuit-2 입력에 가한다.100mV(rms)를 mVpp로 고치면 다음 식에 의한다.
2VPP=Vrms×2√2=100mV×2×1.414=282.8mVPP
위에서 설정한 2Vpp의 15%는 300mVpp이므로 100mV(rms)의 근사치로 설정한 것임.
- 2Touch LCD 패널에서 analog input 을 선택한 다음 Oscilloscope 탭에서 다음 그림과과 같이 설정하고, R5 가변하여 출력 오프셋 전압이 0V가 되도록 조정한다.
CH A의 Y-POS와 CH B의 Y-POS를 아래 그림과 같이 마커가 위치하도록 조정한다.
- 3출력 오프셋 전압 설정에 따른 측정.
R5를 가변하여 출력 오프셋 전압을 표 8-4의 값으로 만든 후 출력 파형을 그린다.
비반전 증폭기
1.결선방법(M-08의 Circuit-3)
1.전원 결선
전원 결선
2.계측기 결선
함수 발생기 결선
전면 패널 Signal Output의 BNC단자에 BNC 케이블을 연결하고, 적색 리드선을 Circuit 3의 3a 단자에, 흑색 리드선을 3b 단자에 연결한다.
Signal Input 결선
전면패널 Signal Input의 CH A의 A+ 단자와 Circuit-3의 3a 단자 간을 적색선으로,, A-단자와 3b 단자 간을 흑색선으로 연결한다.
전면패널 Signal Input의 CH B의 B+ 단자와 Circuit-3의 3c 단자 간을 적색선으로, B-단자와 3d 단자 간을 흑색선으로 연결한다.
별도의 DIgital Multimeter의 결선
별도의 Digital Multimeter의 DC 전압 측정 레인지를 선택하고 적색 리드선을 Circuit-3의 3c 단자에, 흑색 리드선을 3d 단자에 각각 연결한다.
2.결선도
flash
3.측정 방법
- 1[반전 증폭기]>[200 mVp-p 1kHz의 구형파(square wave) 측정]과 동일하며 측정 결과는 표 8-3 해당 란에 출력파형을 그린다.
- 2[반전 증폭기]>[100mV(rms) 100Hz의 사인파(sine wave) 측정]과 동일하며 측정 결과는 표 8-4 해당 란에 출력파형을 그린다.
실험 결과 보고서
1. 실험 결과표
2. 검토 및 정리
DC 오프셋에 대하여 기술하시오.