[아날로그전자회로실험] 11. 선형 연산증폭기 회로

[아날로그전자회로실험] 11. 선형 연산증폭기 회로

1. 실험목적

선형 연산증폭기 회로의 전압이득을 측정하고, 직류전압과 교류전압을 측정한다.

2. 실험이론

연산증폭기는 반전 입력단자와 비반전 입력단자를 가진 증폭기로, 전압이득이 가장 크다.

위의 그림은 연산증폭기의 교류등가회로를 나타낸 것이고, 연산증폭기는 전압이득과 입력 임피던스가 클수록, 출력 임피던스가 작을수록 좋다. 이상적인 연산증폭기에서 \(R_{i}=\infty,\,R_{o}=0,\,V_{o}=A_{d}V_{d}\)이다.

연산증폭기의 외부에 저항을 연결하여 연산증폭기 자체의 이득보다 작지만 외부의 저항으로만 결정되는 이득이 정확한 증폭기를 제작할 수 있고 또한 하나 이상의 입력에 대해 각 입력신호마다 원하는 크기의 전압이득을 갖게 하는 회로를 제작할 수 있다.

위에서 왼쪽 회로는 반전증폭기 회로이고, 오른쪽 회로는 외부 저항을 포함한 실제 연산증폭기의 교류등가회로이다. 아래에서 왼쪽 그림은 외부 저항을 포함한 이상적인 연산증폭기의 교류등가회로이고, 오른쪽은 그림은 다시 그린 교류등가회로이다.

이때 출력이 수십 \(\text{V}\)이고, \(A_{v}\)가 매우 크면, \(V_{i}\approx0\)이므로

연산증폭기의 입력은 가상단락(virtual ground) 상태가 된다. 그러면 이 상태에서 \(\displaystyle I=\frac{V_{1}}{R_{1}}=-\frac{V_{o}}{R_{f}}\)이므로 반전증폭기의 전압이득은$$A_{v}=\frac{V_{o}}{V_{i}}=-\frac{R_{f}}{R_{1}}$$이다. 가상단락을 이용하여 연산증폭기의 전압이득을 구할 수 있다.

비반전 증폭기:

\(\displaystyle V_{1}=\frac{R_{1}}{R_{f}+R_{1}}V_{o}\)이므로$$A_{v}=\frac{V_{o}}{V_{i}}=1+\frac{R_{f}}{R_{1}}$$

단위 팔로워:

\(V_{1}=V_{o}\)이므로$$A_{v}=\frac{V_{o}}{V_{1}}=1$$

가산 증폭기:

키르히호프 전류법칙에 의해 \(\displaystyle\frac{V_{1}}{R_{1}}+\frac{V_{2}}{R_{2}}+\frac{V_{3}}{R_{3}}=-\frac{V_{o}}{R_{f}}\)이므로$$V_{o}=-\left(\frac{R_{f}}{R_{1}}V_{1}+\frac{R_{f}}{R_{2}}V_{2}+\frac{R_{f}}{R_{3}}V_{3}\right)$$

3. 실험

1) 실험장비 및 부품

오실로스코프, DMM, 함수발생기, 직류전원, \(20\text{k}(1),\,100\text{k}(3)\Omega\)저항, μA741 연산증폭기

2) 실험과정

반전 증폭기

(1) 다음 그림대로 회로를 구성하고

식 \(\displaystyle A_{v}=\frac{V_{o}}{V_{i}}=-\frac{R_{o}}{R_{i}}\)를 이용하여 전압이득 \(A_{v}\)를 계산한다.

(2) 입력 \(V_{i}\)에 주파수 \(10\text{kHz}\), 실효값이 \(V_{\text{sig}}=1\text{V}\)인 전압을 인가하고, DMM으로 출력전압 \(V_{o}\)를 측정하여 기록한다. 이 결과를 이용하여 전압이득 \(A_{v}\)를 계산하고, 실험 (1)의 결과와 비교한다.

(3) 저항 \(R_{i}\)를 \(100\text{k}\Omega\)로 바꾼 다음, 실험 (1), (2)를 반복한다.

(4) 오실로스코프를 이용하여 입력파형과 출력파형을 관측하고, 그 그래프를 그리는데, 수직감도와 수평감도도 기록한다.

비반전 증폭기

(1) 다음 그림대로 회로를 구성하고

식 \(\displaystyle A_{v}=\frac{V_{o}}{V_{i}}=1+\frac{R_{o}}{R_{1}}\)를 이용하여 전압이득 \(A_{v}\)를 계산한다.

(2) 입력 \(V_{i}\)에 주파수 \(10\text{kHz}\), 실효값이 \(V_{\text{sig}}=1\text{V}\)인 전압을 인가하고, DMM으로 출력전압 \(V_{o}\)를 측정하여 기록한다. 이 결과를 이용하여 전압이득 \(A_{v}\)를 계산하고, 실험 (1)의 결과와 비교한다.

(3) 저항 \(R_{i}\)를 \(100\text{k}\Omega\)로 바꾼 다음, 실험 (1), (2)를 반복한다.

(4) 오실로스코프를 이용하여 입력파형과 출력파형을 관측하고, 그 그래프를 그리는데, 수직감도와 수평감도도 기록한다.

단위 팔로워

다음 그림대로 회로를 구성하고

입력 \(V_{i}\)에 주파수 \(10\text{kHz}\), 실효값 \(V_{\text{sig}}=2\text{V}\)인 전압을 인가하고, DMM으로 출력전압 \(V_{o}\)를 측정하여 기록한다. 단위 팔로워의 전압이득은 \(1\)이므로 \(V_{o}=V_{i}\)가 성립하는지 확인한다.

가산 증폭기

(1) 다음 그림대로 회로를 구성하고

입력이 \(V_{1}=V_{2}=1\text{V}\)(실효값)일 때의 출력전압 \(V_{o}\)를 계산한다.

(2) 주파수 \(10\text{kHz}\), 실효값 \(V_{\text{sig}_{1}}=V_{\text{sig}_{2}}=1\text{V}\)인 전압 \(V_{1},\,V_{2}\)를 인가하고, DMM으로 출력전압 \(V_{o}\)를 측정하여 기록한다. 이 결과를 실험 (1)의 결과와 비교한다.

(3) 저항 \(R_{2}\)를 \(100\text{k}\Omega\)로 바꾼 다음 실험 (1), (2)를 반복한다.

Pspice 시뮬레이션

반전 증폭기(LM324 연산증폭기 사용).

입력파형과 출력파형. 전압이득이 \(-5\)이다.

전압이득 측정.

비반전 증폭기(LM324 연산증폭기 사용).

입력파형과 출력파형. 전압이득이 \(6\)이다.

전압이득 측정.

참고자료:

Laboratory Manual to accompany Electronic Devices and Circuit Theory 11th edition, Boylestad, Nashelsky, Monssen, Pearson

Electronic Devices and Circuit Theory 11th edition, Boylestad, Nashelsky ,Pearson

http://mece347.cankaya.edu.tr/uploads/files/Lab7.pdf