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고온 초 전도체 예비레포트

1. 실험 제목고온초전도체의 제작 및 초전도성 측정2. 실험 배경1911년 네델란드의 카메링 오네스가 수은에서 초전도 현상을 처음 발견한 이래 초전도 재료의 무한한 응용가능성이 제안되고 연구개발 되어 왔다. 1987년 액체질소로 냉각하여도 초전도성을 나타내는 고온초전도 물질이 발견되면서 초전도 응용기술의 경제성과 실현 가능성이 한층 더 높아지게 되었으며 새로운 응용분야도 출현하게 되어 세계적인 기술개발의 열기가 달아오르게 되었다.3. 실험 목적고온초전도체의 원리를 이해하고, 고온초전도체의 하나인를 직접 제작하여 초전도상을 확인한다.4. 이론 배경▶고온초전도체란?일반적으로 물체는 전기적 저항을 가지고 있으며 이에 따라 물질의 전기 전도도가 다르다. 전기 전도도가 높을수록 많은 양의 일을 잘 수행할 수 있는 건 당연한 일이며 초전도체는 20세기 초에 발견되었는데, 신기하게도 이 물질은 온도가 매우 낮은 상태 10K내외(K는 Kelvin을 뜻하며 0○C=273.15K)에서 전기 저항이 완전히 사라지는 성질을 보였다. 이런 현상을 초전도 현상이라고 하고 이런 현상이 나타나는 물질을 초전도체라고 하게 되었다. 전기 저항이 완전히 사라지면 그 물질의 전기 전도도는 지금까지의 어떤 물질들보다도 높게 된다.어떤 초전도 물질에 대해서 전기 저항이 완전히 사라지는 온도를 그 초전도체의 임계온도라고 하는데, 초기의 초전도체의 임계온도는 매우 낮았다. 그래서 물질을 냉각시키는 데 많은 비용과 노력이 필요했다. 1980년대 후반에 들어서 임계온도가 액체 질소 온도인 77K보다 높은(사실 77K도 매우 낮은 온도이지만, 그래도 처음에 비해서 상당히 높은 수준이지요) 초전도체들이 발견되었는데, 이를 고온초전도체라고 부른다. 기본적인 초전도체의 특성 이외에 두 초전도체를 아주 가까이 접근시켜 접합을 형성하면 더욱 재미있는 현상들이 나타나는데 이를 조셉슨 효과라고 부른고 이런 접합을 조셉슨 접합이라고 부른다. 조셉슨 접합을 이용하여 컴퓨터 소자, 민감도가 높은 자기장 센서나 전자기파 센서, 전자기파 발진기를 제작하는 데에 사용할 수 있다.[임계온도에서 초전도 물질로 된 동전이 떠오른 모습 ]1986년 스위스의 베트노르츠와 뮐러는-243℃에서 저항이 감소하기 시작해 -260℃에서 저항이 0이 되는 물질을 보고했다(1987년 노벨상 수상). 임계온도는 그다지 높지 않았으나 초전도상태가 기대되지 않던 물질에서 초전도 현상이 관찰된 것이 특이했다. 그런데 그해 12월에 다른 연구자가 같은 물질이 -243℃에서 초전도가 이루어지는 것을 보고했다. 그후 비슷한 결정 구조를 가진 여러 물질이 차례로 연구돼 무려 -175℃ 정도의 높은 온도에서 초전도체가 되는 물질들이 연달아 발견돼 전 세계는 고온 초전도체 열풍에 휩싸이게 됐다.이 온도는 액체 헬륨보다 상대적으로 값이 훨씬 싼 액체 질소의 온도이고, 액체 헬륨에 필요했던 냉각 시설도 훨씬 단순화할 수 있다. 그러나 고온 초전도체가 왜 생기는지 아직 이론적으로 밝혀지지 않았으며, 종전의 초전도체를 실용화하는 과정에서 거쳤던 많은 기술적인 문제들을 고온 초전도체도 해결해야 하기 때문에 언제 어느 정도 실용화될지 아직은 미지수다. 그러나 액체 헬륨이라는 어려움을 제거한 것은 대단히 희망적인 일로 더욱 폭넓은 초전도 현상의 응용이 가능해지리라 기대된다.▶조셉슨 효과양자적인 현상은 항상 파동-입자의 이중적인 특징을 지니고 있다. 예를 들어 전자의 움직임을 입자로서 설명하기도 하지만 전자는 한편으로 파동의 성질도 나타낸다. 그렇다면 쿠퍼쌍 또한 양자적인 분자처럼 행동하지만, 이는 파동으로서의 성질도 분명히 나타낼 것이다.두개의 초전도체를 초전도체가 아닌 물질을 사이에 두고 연결시킨 후 전류를 흐르게 하면 어떻게 될까? 이러한 연결을 조셉슨 접합이라고 한다. 각 초전도체 내의 쿠퍼쌍들은 어떤 한가지 양자적 상태에 있을 것이고 그 나름의 파동을 이루고 있을 것이다. 전류를 흐르게 하면 한쪽 초전도체의 쿠퍼쌍이 다른쪽 초전도체로 이동하고 이때 두 부분의 파동은 연결된다. 그러나 파동은 주변환경에 따라 조금 어긋나 위상차이를 만들고(그림 5), 이는 전류의 변화로 나타난다. 더욱 특이한 것은 주변에 자기장이 존재할 때, 초전도가 아닌 부분을 통과하는 자기장이 위상차에 반영돼 전류의 변화로 나타난다. 이 현상은 1962년 조셉슨이라는 사람에 의해 예고돼 ‘조셉슨 효과’라고 불린다.1963년 로웰은 조셉슨 효과를 실험적으로 검증했으며, 이로 인해 1973년 노벨상은 조셉슨에게 돌아갔다. 조셉슨 접합을 하면 전류의 변화를 통해 아주 작은 자기장도 감지할 수 있으므로 신경이나 근육의 흥분으로 생기는 작은 전류가 만드는 미세한 자기장의 검출이 가능하다. 또한 위상 차이는 접합의 전압에도 영향을 준다. 접합에 흐르는 직류 전류를 증가시키면, 접합의 전압이 일정한 값의 정수배로 변하는 성질이 있어 조셉슨 소자를 이용해 전압을 측정할 수도 있다.5. 실험 장치powder 3.0258 g ,,, PVA , 수정관, 산소통 , 보트 , 직경 1cm 몰드 , ball milling 용 플라스틱 통 , ball milling 장비6. 실험 방법①의 몰비가 1:4:6이 되도록 20 g을 계량한다.② 플라스틱 통에 질량은 측정한 powder를 zirconium ball 20g과 메탄올 20g을 같이 넣고 ball milling 장비에 넣은후 ball milling 작업을 24 시간동안 한다.③ ball milling 후 zirconium ball 을 제거하고 오븐에 넣어 60°c에 24시간 메탄올을 증발 시킨다. (주의 사항: 오븐의 문을 완전히 밀폐하지 말 것.)④ 보트에 YBCO powder를 담고 가열로에 넣어 880도에서 10시간의 하소(calcination)를 한다.

자연과학| 2009.08.25| 4페이지| 1,000원| 조회(221)

물리, 초전도체, 현대물리실험, 고온 초전도체

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에어트랙을 이용한 충동실험.

0. 실험 제목Air Track1. 실험 기구 및 장치포토게이트, 글라이더, 저울, 고무줄, 미끄럼판, 자2. 실험 설명(1) Momentum and Collisions① 실험목적마찰이 없는 미끄럼판(Air Track)에서 병진운동, 진동운동 및 충돌에 의한 운동량 보존법칙등 여러 가지 역학적 현상을 관찰한다② 실험원리운동량 보존원리와 총 에너지 보존원리를 사용하여 충돌 후 결과를 생각할 수 있다. 질량이 ma, mb이고 충돌전의 속도 충돌 후의 속도 라 하자. 한쪽 방향을 운동량과 속도의 양의 방향으로 잡는다. 우선 탄성충돌(elastic collision)일 경우에 운동량 보존법칙에 따라가 성립한다.이 때, 운동에너지가 보존되는 경우이며 이 두 식으로 부터을 얻는다. 완전 비탄성 충돌일 경우에는 운동량 보존원리를 사용해서에서 를 알 수 있다.③ 실험방법A. Equal masses, one glider at rest(ⅰ) 미끄럼판이 완전한 수평이 되도록 하고 Counter/Timer은 아래와 같이 놓고 『Reset』을 누른다.MODE switchMEMORYINPUT HOLDTIMER MODESPLIT TIMESOFFOFFGATE??????????????????????????????????????????????? ??????????????????????? ??? (ⅱ) 광감지기는 과 같이 장치하고 활차에는 완전 탄성 충돌을 할 수 있도록 고무줄을 이용한다.(ⅲ) ma가 광감지기(Photogate) 『A』를 통과하는데 걸리는 시간과 mb가 광감지기(Photogate) 『B』를 통과하는데 걸리는 시간을 측정한다.(ⅳ) 위 실험을 5회 반복하고 속도를 계산한다.(ⅴ) 충돌 전과 충돌 후의 운동량(Momentum)및 운동에너지(Kinetic Energy)를 구하여 운동량 및 운동에너지 보존에 대해서 논의한다.B. Equal Masses, both gliders moving(ⅰ) 모든 실험방법은 A의 경우와 같이 하고, Counter/Timer의 Memory는 on으로한다.(ⅱ) 질량이 같은 두 활차를 두 광감지기 사이에서 충돌이 일어날 수 있도록 속도 조절을 한다.(ⅲ) 충돌전의 통과 시간은 Counter/Timer의 현재 나타난 시간을 가르키며, 충돌후 통과 시간은 Memory를 off 했을때 충돌전 시간과의 합으로 나타나므로 나타난 시간에 충돌전 시간을 빼주면 그것이 충돌후 통과 시간이 된다.(ⅳ) 속도를 변화시켜 5회이상 실험하고 운동량 보존에 대해서 논의한다.C. different masses, one glider at rest(ⅰ) 미끄럼판이 수평이 유지되었는지 다시 확인한다.(ⅱ) ma, >mb와 mb, >ma가 되도록 하여 각각 실험을 한다.(ⅲ) 결과에 대해서 논의하고 ma ≫ ma와 ma ≪ mb에 대하여 예를 들어 생각하고 탄성충돌에 대한 종합적인 결과를 논의한다.D. Inelastic collision(ⅰ) ma,

자연과학| 2009.08.25| 8페이지| 1,000원| 조회(1,383)

물리, 에어트랙, 운동에너지, Air track, 에어트랙실험

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다이오드의 모든것.

1. 실험 제목A. 접합다이오드의 특성B. 리미터와 클램퍼C. 제너 다이오드2. 실험 목적A. (1) 접합 다이오드의 동작특성을 이해한다.(2) 접합 다이오드의 전압-전류특성을 측정한다.B. (1) 직·병렬로 접속된 다이오드 리미터의 출력파형과 입력 정현파간의 관계를 이해한다.(2) 정(+)·부(-) 다이오드 클램퍼의 출력파형을 관찰한다.C. (1) 제너 다이오드를 이용한 전압 레귤레이터를 만들고 그 특성을 실험한다.3. 실험 이론A.접합 다이오드(1) 접합 다이오드의 동작 원리P형과 N형 실리콘을 서로 결합하면 접합 다이오드가 만들어진다. 순방향 바이어스를 가하는 경우, P형 쪽에 전지의 (+)극을, N형 쪽에 전지의 (-)극을 연결하여야 한다. 반도체 내에서는 전하를 띠고 있는 알갱이(carrier)가 전자와 정공의 두 종류가 있다. 전자(electron)와 정공(bloe)은 각각 N형 반도체와 P형 반도체로부터 PN 접합을 향하여 확산되어 다른 영역에서 다른 carrier와 재결합하여 사라진다. 이 때 소모되는 전자와 정공은 전지로부터 공급되며, P영역에서 N영역으로의 한쪽 방향으로 전류가 흐르는 것이다. 즉, 접합 다이오드는 전자와 정공이 모두 전류의 흐름에 기여한다. 전하들의 이러한 운동은 다이오드를 통해 큰 순방향 전류가 흐르도록 하므로 이 때 다이오드는 작은 순방향 저항 값을 가진다. 역방향 바이어스 전지의 (+)극은 N형 실리콘 내의 자유 전자를, (-)극은 P형 실리콘 내의 정공을 끌어당기므로 접합부에서 자유 전자와 정공의 결합은 존재하지 않는다. 그러므로 다수 캐리어에 의한 전류는 흐르지 않게 된다. 이러한 역바이어스 접속에서는 소수 캐리어에 의한 미세한 전류(N형의 정공, P형의 전자에 의한 전류)만이 다이오드에 흐르며, 그 크기는 수 A정도이다. 이때의 다이오드는 큰 역방향 저항을 가진다.(2) 순방향 전압-전류 특성다이오드의 전압-전류 특성은 인가 전압 변화 시 다이오드 내의 전류가 어떻게 변화하는지를 나타낸 그래프이다. 실험적으로 점차 작다. 그러나 0.7V 이상의 순방향 전압을 인가하면 다이오드 내에 많은 전류가 흐르게 되는데, 인가 전압이 조금만 높아져도 전류의 증가는 매우 커지게 된다. 다이오드가 역바이어스 되었을 때, 소수 캐리어에 의해서 어느 전압까지는 전압의 크기에 상관없이 미소 전류가 일정하게 흐른다. 역방향 바이어스가 이 전압 레벨 이상이 되면, avalanche breakdown 현상이 발생하여 갑자기 큰 전류가 흐르면서 다이오드가 파괴된다. 그러므로 다이오드는 안전한 전압 범위 내에서 사용되어야 하고, 안전 동작의 한계는 보통 제조자에 의해 최대 순방향 전압(Vfm), 최대 역방향 전압(Vrm) 그리고 최대 순방향 전류(Ifm)로 표시된다.(3) 저항계에 의한 다이오드 시험다이오드의 저항을 측정해 봄으로써 그 전기 특성을 간단히 실험해 볼 수 있다. 저항계에 내장되어 있는 전지의 극성이 저항계의 리드선에 표시된 것을 유의하여야 한다. 정상적으로 동작하는 다이오드를 저항계로 시험하면 다이오드는 낮은 순방향 저항과 높은 역방향 저항을 나타낼 것이다. 저항계의 (+)단자를 다이오드의 양극에, (-)단자를 음극에 연결하면 순방향 바이어스가 인가되어 전류가 흐르고 다이오드는 낮은 저항값을 나타낸다. 저항계의 리드선을 이와 반대로 연결하면 역방향 바이어스가 인가되어 전류는 거의 흐르지 않고 높은 저항값이 측정된다. 만일 다이오드가 극성에 상관없이 낮은 또는 높은 저항값을 나타낸다면 이는 다이오드가 손상되었음을 의미한다.(4) 다이오드의 음극과 양극의 구별보통 다이오드의 음극쪽은 ‘원형 띠’로 표시된다. 아무 표시도 되어 있지 않은 다이오드의 경우에는 저항값을 측정하여 낮은 저항값이 나타날 때, 저항계의 (+)선이 연결된 단자가 양극(anode), (-)단자가 연결된 단자가 음극(cathode)이다.(5) 저항계 저전력 저항 측정 기능저항계의 경우, 내부 전지 전압은 대게 1.5V 이거나 그보다 높다. 그러므로 turn on 전압이 0.7V인 실리콘 다이오드나 0.3V 게르마늄 다이오로 연결된 스위치로 구성된다.B. 다이오드 리미터와 클램퍼(1) 다이오드 리미터그림 3-1(a)는 입력전압의 정의 반주기를 제한하는 다이오드 리미터회로이다. 입력신호 Vin의 정의 반 주기 동안 다이오드는 순방향바이어스된다. 캐소드가 접지(0V)되어 있으므로 애노드는 0.7V(Si인 경우)를 넘을 수 없다. 그러므로 점 A는 입력이 이 값을 넘을 때 +0.7V로 제한된다. 입력이 0.7V 이하가 되면 다이오드는 역방향바이어스되고 개방상태가 된다. 출력전압은 입력의 부의 반주기와 같게 되지만 크기는 Rs가 RL로 구성된 전압분배기에 의해 다음과 같이 구해진다.만일 Rs가 RL과 비교하여 작다면 Vout ? Vin이다.다이오드의 방향을 바꾸면 그림 3-1(b)와 같이 입력의 부의 반 주기가 제한된다. 입력의 부의 반주기 동안 다이오드가 순방향바이어스될 때 점 A는 다이오드의 전압강하에 의해 -0.7V가 유지된다. 입력이 -0.7V 이상이 되면 다이오드는 순방향바이어스가 되지 않고 입력에 비례한 출력이 RL양단에 나타난다.3. 다이오드 클램퍼클램퍼의 목적은 교류신호에 직류레벨을 더하는 데 있다. 클램퍼(Clamper)를 가끔 직류 재생회로라고도 한다. 이 회로의 동작은 입력전압의 처음 부의 반 주기에 대한 동작을 고려해 봄으로써 알 수 있다. 입력이 처음 부의 반 주기 동안 다이오드는 순방향바이어스되고 커패시터는 입력의 첨두값인 Vp(in) - 0.7V 까지 충전하게 된다. 그런 다음 바로 부의 첨두에서 다이오드는 역방향으로 바이어스된다. 이것은 커패시터의 충전에 의하여 캐소드가 거의 Vp(in) - 0.7V를 유지하고 있기 때문이다. 커패시터는 단지 높은 부하 저항 을 통해서만 반전할 수 있다. 그러므로 부의 반주기의 첨두값에서 다음 주기의 첨두값까지 커패시터는 적은 방전을 하게 되며, 방전하는 양은 RL값에 의 해 좌우된다. 좋은 클램핑이 되기 위하여 RC시정수는 적어도 입력 주파수의 10배 이상 되어야 한다.순수한 클램핑 동작의 영향은 커패시터가 입력의 첨두값더해진다. 다이오드의 방향이 바뀌면 부의 직류전압이 입력신호에 더해진다.4.클램퍼의 응용클램퍼회로는 텔레비전 수상기에서 직류재생회로로 종종 사용된다. 입력된 합성영상 신호의 직류성분을 제거하기 위하여 용량성 결합증폭기를 통과시키면 흑백 기준레벨과 블랭킹레벨이 소거된다. 수상관에 인가되기 전에 이 기준레벨을 재생되어야 한다.C. 제너 다이오드(1) 항복현상과 그 이용앞 실험에서 다이오드에 역방향바이어스를 걸어주면 역포화전류만이 흐르다가, 바이어스가 어느 수준을 넘어서면 역방향전류가 급격히 증가하는 항복현상이 일어남으로 바이어스가 지나치지 않은 범위 안에서 다이오드를 사용해야 한다고 설명한 바 있다. 보통 다이오드의 경우 항복현상이 일어나면 손상되게 되어 더 이상 사용할 수 없다. 이것은 큰 전류로 말미암아 다이오드에서 지탱할 수 있는 것 이상의 열이 발생하기 때문이다.이러한 항복현상은 다이오드 접합면의 도핑정도에 따라 발생 이유를 다음과 같니 크게 두 가지로 대별할 수 있다. 접합부의 도핑이 조금만 되어 있을 경우에 일어나는 것이 사태항복현상이다. 역방향바이어스전압이 커질수록 공핍영역 안의 전계가 커질 것이고, 이 때문에 공핍영역 안을 지나가는 반송자들이 큰 에너지를 얻게 된다. 이러한 고에너지 반송자들이 공핍영역 안의 격자에 충돌하여 그때까지 가만히 Si원자에 붙어서 공유결합을 이루고 있던 전자를 들뜨게 하여 가전자대에서 전도대로 올려보냄으로써 전자-정공쌍을 만들어낸다. 이렇게 생겨난 전자-정공쌍 역시 큰 전계 때문에 큰 에너지를 얻어 다른 전자들을 들뜨게 한다. 이런 현상이 연쇄적으로 마치 산사태처럼 일어나서 전기전도에 기여할 수 있는 반송자들이 급격히 늘어나는 바람에 항복현상이 일어나는 것이다.위와 같은 현상이 일어나는 공핍영역에 들어오거나 생겨난 전자가 전계에 따라 밀려가면서 큰 에너지를 얻고, 또한 반도체 격자와 충돌할 만한 공간적 여유가 있어야 한다. 만약 공핍영역이 너무 좁아서 전자들이 미처 큰 에너지를 얻어 충돌하기 전에 밖으로 나가버린다면, 이러너항복이라 하는 현상이 생겨난다. 이것이, 역방향바이어스가 커짐에 따라 p영역전자의 위치에너지가 n영역 전자의 그것보다 점점 커지게 되는데, 이것이 어느 수준을 넘어 p영역 가전자대의 전자들의 위치에너지가 n영역의 전도대의 위치에너지보다 쏟아져 들어오게 되는 현상을 말한다. 이러한 현상이 일어나기 위해서는 공핍영역이 좁아야 하므로 도핑이 많이 되는 것이 지너항복을 위해 유리한 조건이 된다.지너전압(또는 지너항복전압)는 반도체의 재료, 도핑 정도, 접합의 방법 등에 따라서 2V정도에서 수백 V까지 다양하게 변화될 수 있고, 동저항 또한 십분의 수Ω에서 수천Ω까지 된다.지너전압에서는 전압이 조금만 변하여도 전류가 크게 변하는 성질을 역으로 이용하여, 즉 전류가 크게 변하여도 전압은 거의 일정하게 유지되는 것이 이용하여, 정전압회로로 응용된다. 똑같은 목적에 사용되는 가스다이오드인 정전압 방전관에 비해서, 지너다이오드는 항복전압의 범위가 넓고 전류의 범위도 넓은 등등의 여러 가지 장점을 가진다.4. 실험 장치직류전원장치DMM다이오드함수발생기오실로스코프저항제너 다이오드5. 실험 방법A.접합다이오드(1) 다이오드의 극성 : 다이오드의 극성을 판별한다.1. 다이오드에 띠가 있을 경우, 띠가 있는 쪽이 캐소드이고 그 반대쪽이 애노드이다.2. 저항계를 이용한 다이오드의 극성 판별은 저항계의 지침이 낮은 저항값을 지시할 때는 적색 리드봉쪽이 애노드이고 흑색 리드봉쪽이 캐소드이다.(2) 순방향 바이어스의 인가1. 그림 3-9회로를 결선하라.2. 그림 3-9의 회로에서 다이오드 D양단의 직류 전압강하를 측정하고, R양단의 직류 전압강하를 계산하라.3. 직렬저항 R과 순방향 바이어스된 다이오드 D를 통하여 흐르는 전류를 구하여라.B.리미터와 클램퍼(1) 병렬 리미터1. 그림 5-11와 같이 회로를 결선하고, 출력파형을 기록하라.2. 다이오드 극성을 반대로 하여 회로를 결선하고, 이때의 출력파형을 관찰하여 기록한다.(2) 다이오드 클램퍼1. 그림 3-1의 회로를 결선하라.2. 저주파50k

자연과학| 2009.08.25| 10페이지| 1,000원| 조회(316)

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* 함수 발생기 및 오실로스코프 활용 *1. 실험 목적- 연산증폭기(operational amplifier)의 이득출력단에서 입력단으로 외부 부귀환 루프(exrernal negative-feedback loop)에 의해 결정됨- 입력 바이어스 전류를 측정하고, 출력 옵셋(offset) 전압의 영향을 분석- μ741(LM741, MC741, μA741)의 슬루율(slew rate)을 계산2. 실험 이론- 연산 증폭기° 큰 신호 이득을 얻을 수 있는 증폭기° 출력단에서 입력단으로 회귀된 외부 부귀환 회로에 의해응답 특성이 제어되는 선형소자° 입력 Impedance는 매우크고, 출력 Impedance는 매우작다.° 차동증폭회로로 구성, 출력전압 V。= A (V₂- V₁)° 두개의 입력, 하나의 출력을 가진다.° 사칙연산이 가능한 회로, 미적분 구현가능° 신호 증폭을 위한 전압, 전류 증폭기가 있다.° 전원을 기본적으로 두개 +Vcc / -Vcc를 가진다.° 가감산, 미적분, AV, 발진기 등의 통신분야에서 광범위하게 이용- 이상적인 op-amp의 조건° 전압이득이 무한대 : Av = ∞° 입력저항이 무한대 : Rin = ∞° 출력저항이 “0” : Rout = 0° 대역폭이 무한대 : Bw = ∞° offset 전압과 전류가 “0”° 온도에 따른 소자 parameter 변동이 없다.- op-amp의 NFB LOOP° 반전증폭기로서 (-) 입력단에 신호를입력 결과적으로 출력은 위상이 180° 반 전° 비반전증폭기로서 (+) 입력단에 신호를 입력 하여 사용할 수 있다.inverting-ampnon-inverting-amp- Non-inverting voltage follower° 회로이득이 1 이기 때문에 단의증폭기(unit-gain follower)라고도 함° 사용목적 ~ Impedance 변환~ 회로의 분리 : 교류신호의 일방통행non-inverting voltage follower- Bias로 인한 입력 오차 제거 방법° (+) 입력단자에 Rf와 Rr의 병렬합성저항을 설치두 입력단자의 입력저항을 같개함으로써 오차를 줄임입력 bios 오차를 줄이기 위한 회로- Weighted summer (가중치를 부여할 수 있는 가산기)° Rf = R₁+ R₂라면, 출력전압 V。= -( V₁+ V₂)° 저항의 값을 변화시킴으로써, 특정비율을 가진 입력전압의 합을 구할 수 있다.° 가산기는 세 개 이상의 입력도 가능하다.가산기로 사용된 연산 증폭기- 능동부하 (Active load)° 동일 chip상에서 저항보다 transistor를 제조하기가 쉽고,저가이기 때문에 집적회로에 많이 이용° MOSFET는 거의 대부분 부하를 능동소자로 설계- 입력바이어스 전류 (Input bias current)° op-amp 작동을 위해서는 Vcc, Vee를 전원으로 연결해주어야 한다.° +,-양 전원의 한쪽 끝은 접지되어있기 때문에 Q1, Q2의 base 전류가 접지로 흐를 수 있도록 부유(floating) 입력 base단에 외부 DC 전원을 연결시켜야 한다.° 입력에 연결된 동일한 외부저항 성분들은 base current가 적당히 흐르도록 해주나, 반드시 같지는 않다.° 미소한 차의 base 전류가 불균등한 입력 전압차 생성° 입력 bias 전류는 두 개의 입력 base 전류의 평균값임에 유의° 입력 bias 전류가 작을수록 불균등의 가능성은 줄어든다.- 입력 옵셋 전류 (Input offset current)° Common Source로부터 기동된 두 입력 전류간의 차° 741은 최대 20nA의 입력 Offset 전류를 갖는다° Input Offset current 가 작을수록 연산증폭기의 성능은 좋아진다.- 입력 옵셋 전압 (Input offset voltage)° 이상적으로 두 입력 사이의 전압차가 0V 이면, 출력 전압이 0V 이어야 한다. 그러나 실제 동작에서는 출력 전압이 약간의 offset을 가진다.° 출력 offset은 내무 불일치, 허용량 등에 의해 발생° Input offset voltage는 정격 출력 전압을 0V로 하는데 요구되는 두 입력단 간의 차입력 전압° 741의 최악 조건 input offset voltage는 5mV. 인가 신호가 없는 상태에서 출력 전압을 정확히 0V로 만들기 위해 5mV까지의 차입력을 공급 해야한다.- CMRR (Common Mode Rejection Ratio ; 동위상 신호제거 비)° 차동 증폭기에서 정의되는 상수 CMRR =° 741의 CMRR은 30,000이다.° 동일한 공통 모드와 차동 모드 입력 신호가 주어진다면, 공통 모드 신호는 741의 출력단에서 차신호보다 30,000배 정도 작다.- 슬루율 (slew rate)° 연산 증폭기의 AC 동작에 영향을 미치는 특성들 중 하나° 큰 신호 동작에 심각한 제한을 유발° 출력 전압이 변할 수 있는 최대 속도로 정의° 741의 입력단에 구형파를 가한다면, 출력 전압은 선형적으로 상승출력은 약 20μs의 Delay를 가진다.3. 실험 장치 및 부품- 전원 : 듀얼(dual)가변 저전압 DC 전원(15V)- 장비 : 오실로스코프, AF정현파 발생기, 디지털 멀티미터,가변저항기(0～99,999Ω), AC발생기- 가변저항 : 5kΩ- 741C 3개- 저항 : 10kΩ 1/2W 2개, 100Ω 2개, 1kΩ, 10kΩ, 100kΩ, 200kΩ 2개, 1MΩ 1.2W 3개- 커패시터 : 1μF, 10μF 2개- 기타 : SPTS 스위치 4개, 1.5V 건전지 2개4. 실험 방법- 연산 증폭기의 이득1. 회로구성후 각저항을 10kΩ으로 구성후 정현파 발생기를 1kH, 0V로 설정한다. 오실로스코프를 연산 증폭기의 출력에 연결한다.2. 스위치 S₁과S₂를 닫는다.3. 출력 파형이 왜곡되는 바로 이전 상태까지 정현파 발생기 출력 전압을 점진적으로 증가시킨다. 이것이 회로내의 귀환 저항기들에 대한 최대 무왜곡 출력 신호값이다.4. 오실로스코프를 이용하여 증폭기의 입력 신호(즉, 정현파 발생기의 출력) Vin을 측정하고 기록한다.5. 증폭기의 이득을 계산한 다음 기록한다.6. 입력과 출력 신호의 위상을 비교하여 서로 동상일 때와 180°위상차를 보일때를 표시한다.7. 정현파 발생기의 출력을 0V로 감소시키고, 각각의 Rr값에 대하여 반복한다.- 입력 바이어스 전류1. 위의 그림(a)처럼 회로를 구성하고, 오실로스코프의 DC수직 입력을 써서 측정한다.2. 스코프의 수직 입력을 연산 증폭기의 반전 단자에 연결하라. (만일 신호가 과도한 리플이나 잡음을 가지고 있으면, (b)의 필터를 삽입한다.)3. 비반전 입력단에 점A를 연결하고, DC전압을 기록한다.4. 연산증폭기를 다른 741C로 바꾼 후, 두 번 반복하여 과정을 실험한다.5. 옴의 법칙과 결과를 이용하여 첫 번째 연산 증폭기에 대한 입력 전류를 계산하고, 이 두 전류의 평균을 취해서 그 결과를 기록한다. 이것이 “입력 바이어스 전류”이다. 두 번째와 새번째 증폭기에 대해서도 동일하게 실험한다.- 출력 옵셋 전압1. 위의 그림과 같이 회로를 구성하고, 6번 핀에서 DC출력 전압을 측정하여 그 결과를 기록2. 연산증폭기의 741C를 바꾸어 가며 동일하게 실험한다.3. 앞에서 언급했던거와 같이 전압이득은 입력 저항에 대한 귀환 저항의 비와 근사적으로 동일하다.4. 출력 전압을 써서 Vin=로써 입력 옵셋 전압을 구할 수 있다.5. 회로에 5kΩ가변 저항기를 연결한다. 오실로스코프를 써서 출력 전압을 관찰하면서 출력 옵셋 전압이 0이 될 때까지 가변저항을 조절한다.- 슬루율 (slew rate)1. 그림과 같이 회로를 연결한 후 오실로 스코프를 써서 출력을 관찰한다. AC발생기는 10㎑로 조정하고 연산 증폭기를 구동하도록 신호 크기를 조절한다. 그 후 그림(b)와같이 신호 파형이 형성되도록 오실로스코프 타이밍을 조절한다.2. 전압 변화 ΔV를 측정하고 파형의 시간 변화 ΔT도 측정하라. 그결과를 기록하고 다른 741C에 대해서도 실험을 반복한다.이제 슬루율은 Sr=식을 써서 계산될 수 있다.5. 실험 결과- 슬루율 (slew rate)위 사진은 위의 회로를 연결하고, 함수발생기의 주파수를 변화해 주었을 때에 나타난 오실로스코프의 결과 화면이다. 이때, 오실로 스코프의 가로 한 칸은 5, 세로는 1V 로 설정을 해 놓은 상태이다.오실로스코프의 눈금을 보고 슬루율을 구하면 다음과 같다.

자연과학| 2009.08.25| 9페이지| 1,000원| 조회(782)

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