본문내용
1. 전자회로 설계 및 실습
1.1. Op Amp의 특성 측정 방법
1.1.1. Offset 전압 측정
Op Amp의 Offset 전압 측정 방법은 다음과 같다.
아이디얼 Op Amp를 가정할 때, 두 입력단자에 접지를 연결하면 이상적으로 출력전압이 0V가 되어야 한다. 하지만 실제 Op Amp에는 내부적으로 Offset 전압이 존재하므로 출력전압이 0V가 되지 않는다. 이 Offset 전압을 측정하기 위해서는 Open Loop 이득을 이용할 수 없다. 그 이유는 Op Amp의 Open Loop 이득이 매우 크기 때문에 작은 Offset 전압에도 출력전압이 포화전압 수준까지 증폭되어 측정이 어렵기 때문이다.
따라서 Offset 전압을 측정하기 위해서는 Closed Loop 이득을 이용해야 한다. 이상적인 Op Amp를 사용하여 100Hz에서 Gain이 100 (V/V)와 1000 (V/V)인 Inverting Amplifier를 각각 설계할 수 있다. 그리고 실제 Op Amp의 유한한 Open Loop 이득을 고려하여 Closed Loop 이득을 계산할 수 있다.
계산된 Closed Loop 이득 공식을 이용하여, 두 Inverting Amplifier 회로의 출력전압을 측정하고 Offset 전압을 구할 수 있다. Offset 전압은 출력전압을 Closed Loop 이득으로 나눠서 구할 수 있다.
한편, Op Amp의 데이터시트를 보면 Offset 전압에 대해 최소값(min.), 대표값(typ.), 최대값(max.)이 제시되어 있다. 이는 Offset 전압이 제품마다 차이가 있고, 온도 변화에 따라 달라지기 때문이다. 일반적으로 Op Amp의 Offset 전압은 1mV~5mV 수준으로 알려져 있다.
1.1.2. Slew Rate 측정
Op Amp의 Slew Rate 측정 방법은 다음과 같다.
Op Amp의 Slew Rate는 Op Amp가 출력 전압을 변화시킬 수 있는 최대 속도를 의미한다. 이상적인 Op Amp라면 Slew Rate가 무한대이지만, 실제 Op Amp에서는 유한한 값을 갖는다. Slew Rate가 작은 Op Amp는 고속 증폭기로 사용하기 어렵다.
Slew Rate를 측정하기 위해서는 Op Amp를 적분기로 구성한 후 입력 파형에 대한 출력 파형의 기울기를 측정하면 된다. 적분기 회로에서 출력 전압은 입력 전압의 적분 값이므로, 출력 전압의 기울기는 입력 전압에 비례한다. 따라서 입력 전압의 기울기와 출력 전압의 기울기 비율이 Op Amp의 Slew Rate가 된다.
구체적으로, 입력 전압을 계단파 또는 구형파로 인가하고 출력 전압의 상승 구간과 하강 구간의 기울기를 측정하면 Slew Rate를 구할 수 있다. 이때 최대 기울기를 Slew Rate로 정의한다.
예비보고서에는 Slew Rate를 최소화하는 방법으로, 회로를 적분기로 만들고 커패시터 주위에 저항을 추가하여 DC 전류가 흐를 수 있는 경로를 만들어 주는 방법이 제안되었다. 또한 입력 전압을 높여서 Slew Rate를 높이는 방법도 언급되었다.
따라서 Op Amp의 Slew Rate를 측정하기 위해서는 적분기 회로를 구성하고 입력 전압의 기울기에 대한 출력 전압의 기울기 비율을 구하면 된다. 이때 Slew Rate를 최소화하기 위해 회로 구성과 입력 전압 크기를 적절히 조절할 수 있다.
1.2. Integrator 설계
1.2.1. 이상적인 적분기 설계
이상적인 적분기 설계는 다음과 같다.
입력 저항이 530 Ω이며, 4 Vpp (-2 V ~ 2 V)의 1 kHz 구형파를 입력으로 받을 때, 4 Vpp의 삼각파 출력을 내는 이상적인 적분기를 설계할 수 있다. 적분기의 출력전압 v_o(t)는 다음 공식으로 표현될 수 있다:
v_o(t) = -V_C - (1/RC) ∫_0^t v_i(t)dt
여기서, R = 530 Ω, 입력전압 v_i(t)는 4 Vpp의 1 kHz 구형파이다. 이를 통해 필요한 커패시터 C의 크기를 471.4 nF로 계산할 수 있다.
이와 같은 이상적인 적분기 회로를 PSPICE를 사용하여 모델링하면, 빨간색 그래프가 입력 구형파, 초록색 그래프가 출력 삼각파인 것을 확인할 수 있다.
1.2.2. Offset 전압에 의한 문제 해결
Offset 전압에 의한 문제를 해결하기 위해서는 D...
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