아날로그회로실험및설계 Op-Amp 미분기 실험 보고서

문서 내 토픽

1. 연산 증폭기

연산 증폭기는 구현하는 단자가 2개의 지점에서 전류가 나오기 시작하면서 이것을 증폭으로 구현하는 소자입니다. 이미터 부분에는 들어오는 전류를 전체적으로 통제하고 이를 관리하기 효율적으로 증폭을 구현하는 것에 정의를 두고 있습니다. 컬렉터 부분은 이 전류를 모아서 회로적으로 구현이 가능하게 소자의 증폭을 전달해줍니다. 그래서 이미터 부분과 컬렉터 부분의 두 지점에서 증폭이 구현되어서 연산증폭기라고 정의를 내리는 것입니다.
2. 반전 증폭기

반전 증폭기는 출력 전압이 입력에 비례한 값에 부호는 반전되어 나타나는 회로 구조입니다. 연산 증폭기의 특성 상, 비반전 입력 단자의 전압이 0V이고, Virtual short인 반전 입력 단자의 전압도 0V가 됩니다. 이를 바탕으로 KCL을 적용하면 출력 전압이 입력 전압에 비례한 값에 부호를 반전시킨 값으로 출력되는 것을 알 수 있습니다.
3. 비반전 증폭기

비반전 증폭기는 출력의 신호가 입력의 신호와 동일하게 출력되는 회로입니다. 입력 전압이 비반전 입력 단자의 입력으로 들어가며, 이상적인 OP amp의 특성인 가상 단락(Virtual short)과 입력 단자의 저항이 무한대라는 점을 적용하면 출력 전압이 입력 전압에 비례하고 입력 전압과 동일한 부호를 취하는 것을 알 수 있습니다.
4. 연산 증폭기의 특징

연산 증폭기는 왼쪽에 입력단자 2개(V_p, V_n), 오른쪽에 출력단자 1개(V_o)를 가지고 있습니다. 위, 아래에 있는 +V_cc 그리고 -V_EE는 Op-Amp에 전원을 공급해주는 단자입니다. Op-Amp가 동작하기 위해서는 전원을 인가해주어야 하며, 이는 동작 성능에 영향을 미칩니다. 일반적으로 +15V와 -15V를 인가해주며, 이 범위를 벗어나면 클리핑 현상이 발생합니다.
5. 이상적인 연산 증폭기

이상적인 연산 증폭기는 전압 이득이 무한대, 입력 임피던스가 무한대, 출력 저항이 0인 특성을 가집니다. 이를 통해 두 입력단자 사이의 전위차를 증폭하여 출력하는 역할을 합니다.
6. 미분기

미분기는 반전증폭기의 입력 저항을 커패시터로 바꾼 것으로, 파형의 미분에 비례해 출력을 발생시키는 회로입니다. 입력주파수가 차단주파수보다 작으면 미분기로 작동하고, 크면 반전증폭기로 작동합니다. 전압전류관계식과 옴의 법칙을 이용하여 관계식을 유도할 수 있습니다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

1. 연산 증폭기

연산 증폭기는 전자 회로에서 매우 중요한 역할을 하는 핵심 소자입니다. 이 소자는 입력 신호를 증폭하여 출력 신호를 생성하는 기능을 수행합니다. 연산 증폭기는 다양한 응용 분야에서 사용되며, 특히 아날로그 신호 처리, 계측 장비, 제어 시스템 등에서 널리 활용됩니다. 연산 증폭기의 주요 특징은 높은 입력 임피던스, 낮은 출력 임피던스, 높은 전압 이득, 낮은 오프셋 전압 등입니다. 이러한 특성으로 인해 연산 증폭기는 정밀한 신호 처리와 제어가 필요한 다양한 전자 회로에서 필수적인 소자로 사용되고 있습니다.
2. 반전 증폭기

반전 증폭기는 연산 증폭기의 대표적인 응용 회로 중 하나입니다. 반전 증폭기는 입력 신호의 극성을 반대로 하여 증폭하는 회로입니다. 즉, 입력 신호가 양의 값이면 출력 신호는 음의 값이 되고, 입력 신호가 음의 값이면 출력 신호는 양의 값이 됩니다. 반전 증폭기는 신호의 극성을 반전시키는 기능이 필요한 다양한 응용 분야에서 사용됩니다. 예를 들어, 차동 증폭기, 차동 입력 회로, 차동 출력 회로 등에서 반전 증폭기가 활용됩니다. 반전 증폭기의 주요 특징은 높은 입력 임피던스, 낮은 출력 임피던스, 높은 전압 이득 등입니다.
3. 비반전 증폭기

비반전 증폭기는 연산 증폭기의 또 다른 대표적인 응용 회로입니다. 비반전 증폭기는 입력 신호의 극성을 유지하면서 증폭하는 회로입니다. 즉, 입력 신호가 양의 값이면 출력 신호도 양의 값이 되고, 입력 신호가 음의 값이면 출력 신호도 음의 값이 됩니다. 비반전 증폭기는 신호의 극성을 유지하면서 증폭이 필요한 다양한 응용 분야에서 사용됩니다. 예를 들어, 버퍼 증폭기, 전압 추종기, 전압 분배기 등에서 비반전 증폭기가 활용됩니다. 비반전 증폭기의 주요 특징은 높은 입력 임피던스, 낮은 출력 임피던스, 높은 전압 이득 등입니다.
4. 연산 증폭기의 특징

연산 증폭기는 다음과 같은 주요 특징을 가지고 있습니다. 첫째, 높은 입력 임피던스로 인해 입력 회로에 거의 부하를 주지 않습니다. 둘째, 낮은 출력 임피던스로 인해 출력 회로에 큰 전류를 공급할 수 있습니다. 셋째, 높은 전압 이득으로 인해 작은 입력 신호를 크게 증폭할 수 있습니다. 넷째, 낮은 오프셋 전압으로 인해 정밀한 신호 처리가 가능합니다. 다섯째, 광범위한 주파수 대역폭으로 인해 다양한 주파수 대역의 신호를 처리할 수 있습니다. 이러한 특징으로 인해 연산 증폭기는 아날로그 신호 처리, 계측 장비, 제어 시스템 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있습니다.
5. 이상적인 연산 증폭기

이상적인 연산 증폭기는 다음과 같은 특성을 가지고 있습니다. 첫째, 무한대의 입력 임피던스로 인해 입력 회로에 거의 부하를 주지 않습니다. 둘째, 0Ω의 출력 임피던스로 인해 출력 회로에 큰 전류를 공급할 수 있습니다. 셋째, 무한대의 전압 이득으로 인해 작은 입력 신호를 무한대로 증폭할 수 있습니다. 넷째, 0V의 오프셋 전압으로 인해 정밀한 신호 처리가 가능합니다. 다섯째, 무한대의 주파수 대역폭으로 인해 모든 주파수 대역의 신호를 처리할 수 있습니다. 물론 실제 연산 증폭기는 이러한 이상적인 특성을 완벽하게 구현하기 어렵지만, 이러한 특성을 최대한 구현하는 것이 연산 증폭기 설계의 목표입니다.
6. 미분기

미분기는 연산 증폭기의 대표적인 응용 회로 중 하나입니다. 미분기는 입력 신호의 미분값을 출력하는 회로입니다. 즉, 입력 신호의 변화율을 출력 신호로 생성합니다. 미분기는 신호의 변화율을 측정해야 하는 다양한 응용 분야에서 사용됩니다. 예를 들어, 속도 측정, 가속도 측정, 진동 측정 등에서 미분기가 활용됩니다. 미분기의 주요 특징은 높은 입력 임피던스, 낮은 출력 임피던스, 높은 전압 이득 등입니다. 또한 미분기는 입력 신호의 주파수 특성에 따라 다양한 응답 특성을 가질 수 있습니다. 따라서 미분기 설계 시 입력 신호의 주파수 특성을 고려해야 합니다.

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