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제 7 장 증폭회로

제 7 장 증폭회로. 연산증폭기. 신호의 증폭. 신호 : 전압이나 전류 등 전기량 증폭 : 입력된 전압이나 전류를 일정한 비율로 변환(크게/작게)시키는 과정 과거 트랜지스터를 이용한 증폭회로 증폭률이 작다 비선형성이 강하다 연산증폭기 ( Operational Amplifier : OP amp .) 선형성이 뛰어나다 증폭률이 크다. 신호의 증폭 예. 음압 -> 전압신호 : 마이크 전압신호 -> 전류신호 : VCCS 전류신호 -> 기계적인 진동 : 스피커. 증폭기. 입력신호의 증폭. 증폭기.

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제 7 장 증폭회로

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Presentation Transcript

  1. 제 7 장 증폭회로 연산증폭기

  2. 신호의 증폭 • 신호 : 전압이나 전류 등 전기량 • 증폭 : 입력된 전압이나 전류를 일정한 비율로 변환(크게/작게)시키는 과정 • 과거 트랜지스터를 이용한 증폭회로 • 증폭률이 작다 • 비선형성이 강하다 • 연산증폭기(Operational Amplifier : OP amp.) • 선형성이 뛰어나다 • 증폭률이 크다

  3. 신호의 증폭 예 • 음압 -> 전압신호 : 마이크 • 전압신호 -> 전류신호 : VCCS • 전류신호 -> 기계적인 진동 : 스피커

  4. 증폭기 • 입력신호의 증폭

  5. 증폭기 • 입력저항 Ri : 클수록 입력신호의 왜곡이 없다 • 출력저항 Ro : 작을수록 증폭된 신호의 선형성이 보장된다. • 증폭률 A : 원하는 증폭비로 조절할 수 있다.

  6. 연산증폭기 • 연산(신호의 처리)을 위해 사용하는 차동 증폭기 • 기호 • 구성 : 2 개의 입력단자, 하나의 출력단자, VCC와 VEE의 전원입력

  7. 연산증폭기 • IC 칩의 다리 번호 부여 원칙 • 칩의 포면에는 오목한 반원형 홈이 있다. • 홈을 좌측으로 위치시킨 후 왼쪽 아래에 위치한 다리가 1 번 • 반시계 방향으로 돌면서 번호증가

  8. 연산증폭기 • 특징 • A = 105이상의 전압이득 • 거의 무한대인 주파수 대역 : 1MHz typically • 입력 임피던스 : 내부로 유입되는 전류 0 • 출력 임피던스 0 : 신호의 왜곡없이 출력 • Golden Rule • 출력전압은 두 입력간의 전위차를 0 으로 만든다 • 회로 내부로 유입되는 전류는 0 이다. www.hobby-electronics.com

  9. 741 OP 앰프 • 가장 일반적인 범용 OP 앰프 • 칩 내에 하나의 앰프 내장 • 양 전원 사용(+15V/-15V)

  10. 단전원 연산증폭기 LM2904 • 단전원(5V/0V)으로 작동, 한 칩 내에 두 개의 연산증폭기 내장 • 연산증폭기는 사용목적에 따라 다양한 유형(단전원/고정밀/고이득/고속/저소비전력/저드리프트 등)존재

  11. R L 반전증폭기 R 2 • OP 앰프의 기본회로 • 신호의 반전/증폭 • 증폭비 조절 가능 • Rule 1 : VA = VB = 0 V • Rule 2 : OP앰프내로 흘러들어가는 전류는 0 I1 = I2 I1 = Vin/R1, I2 = (0-Vout)/R2 Vin/R1 = -Vout/R2 그러므로, Vou /Vin =- R2 /R1 • 증폭비의 조절 : 포텐시오미터 R vA 1 - - + + v - in vB + v out -

  12. 실제회로의 제작시... • R1 (입력저항) : 1k - 10kW 사용 • R2 (이득저항) : • 원하는 이득이 확실할 경우 : 계산 • 원하는 이득이 가변일 경우 : 포텐시오미터 사용 • RL(부하저항) : 10kW,출력전압의 요동 방지 • 주의사항 : OP 앰프 주변에서는 1MW이하의 저항만 사용!

  13. 비반전 증폭기 R 2 • 반전 증폭기에서 부수적으로 도출된 회로 • 증폭비는 1 이상 (신호의 감축은 불가능) • Rule 1 : VA = Vin • Rule 2 : VA = R1/(R1+R2) Vout = Vin 그러므로, Vout /Vin = (1+R2/R1) • 항상 1 보다 큰 증폭비 R v 1 A - + v + v B R out L - + v - in

  14. 전압 추종기 • 증폭비는 1 인 반전증폭기 • 출력전압 = 입력전압 • 입력 임핀던스가 매우 큰 ‘버퍼’ • 신호원의 출력전류가 매우 미약할 경우나 신호선이 매우 긴 경우에 사용-신호의 왜곡 방지

  15. 합산증폭기 • 여러 신호의 합산 및 평균 • 반전 합산회로 • R1=R2=R3=R4=4RF : 평균연산 • Rx : 내부전압 보정용 저항 Rx = R1//R2//R3//R4 //Rf 4개 저항의 병렬합

  16. 전압 비교기(Comparator) • 두 입력단의 전압비교 • Vout = A(Vp-Vn) • 출력전압은 +Vcc,-Vcc둘중 하나 • 어느쪽의 전압이 높은가를 정확히 판단,디지털화

  17. 전압 제한기 • 출력 전압의 변동폭 제한 • 제너 다이오드를 사용 • 디지털 신호로 변환시 사용

  18. 계측용 증폭기 • 계측용 증폭기 (instrumentation Amplifier) • 계측된 신호내에 섞인 noise 제거효과가 탁월 • 저항 R 의 조절로 증폭이득 조절 가능 • 응력, 온도, 속도, 가속도 등 각종 물리량의 계측시 사용 • DO, PH 등 각종 이화학적 계측시 사용

  19. 스피커용 증폭기 • 단전원 교류 증폭기 • 단전원 만으로도 양,음의 전압 생성 • 교류성분만을 증폭 • 신호성분의 왜곡 극소화

  20. 미분기 • 입력신호의 미분 • 반전 미분연산 • 작동 주파수 f=1/(2pRC) • 설계순서 • 최저 주파수 f 선택 • C < 1mF 인 C 선정 • 저항 R 계산

  21. 적분기 • 입력신호의 적분 • 반전 적분연산 • 작동 한계 주파수 f=1/(2pRC) • 설계순서 • 최고 주파수 f 선택 • C < 1mF 인 C 선정 • 저항 R 계산

  22. 필터회로 • 연산증폭기를 사용하여 주파수에 선택적으로 작동하는 회로를 설계할 수 있다. • 저역통과필터(LPF) : 저주파 신호만을 통과시킨다. • 고역통과필터(HPF) : 고주파 신호만을 통과시킨다. • 대역통과필터(BPF) : 특정 주파수 대역의 신호만을 통과시킨다 • 대역저지필터(BRF) : 특정 주파수 대역의 신호만을 걸러낸다. • 다양한 종류의 필터 회로들이 실용화 되어 있다. • Bessel Filter, Butterworth Filter, Chebyshev Filter • 신호의 선형성은 Butterworth Filter 가 가장 양호하다.

  23. 1차 Butterworth 저역통과필터 • 차단주파수 fH이상의 주파수를 갖는 신호성분을 걸러내는 저역통과필터 • 1차 Butterworth : 차단특성은 decade당 -20dB • 설계순서 • 차단주파수 fH를 선정한다 • 1 mF 이하의 범위에서 커패시터를 선정한다(0.1 mF 정도면 적당하다) • R 값을 fH 식으로부터 계산한다 • 통과대역에서의 이득 AF를 계산하여 결정한다.

  24. 1차 Butterworth 고역통과필터 • 차단주파수 fL이하의 주파수를 갖는 신호성분을 걸러내는 고역통과필터 • 1차 Butterworth : 차단특성은 decade당 -20dB • 설계순서 • 차단주파수 fL을 선정한다 • 1 mF 이하의 범위에서 커패시터를 선정한다(0.1 mF 정도면 적당하다) • R 값을 fL 식으로부터 계산한다 • 통과대역에서의 이득 AF를 계산하여 결정한다.

  25. 대역통과 필터 • 고역통과 필터와 저역통과 필터를 직렬로 연결하여 대역통과 필터를 만들 수 있다. • fL=200Hz, fH=2kHz 인 대역통과 필터를 설계한다. • 설계순서는 앞서의 각 필터의 설계순서와 동일하다.

  26. 발진기 • 직류 형태의 전기 에너지를 교류 형태로 변환시키는 회로 • 신호/함수발생기-통신시스템의 주 회로 • LC 발진기의 예 : f o =1/sqrt{ LC}

  27. 수정 발진기 • 적절한 형태의 수정 결정체에 기전력을 가하면 특정한 방향으로 결정체가 기계적인 진동을 일으킨다 • 압전효과 • 수정은 절단형태에 따라 고유한 기계적인 진동주파수를 갖는다 • 수정결정의 고유 진동 주파수와 일치하는 전기적인 신호가 가해지면 수정은 공진현상을 일으킨다 • 직렬공진 주파수 f x = 1/ { 2p sqrt{Lx Cx}}

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