설계 2. 오디오 증폭기(Audio amplifier)
□ 목적: Speaker를 구동하기 위한 저주파 오디오 증폭기(Audio Amplifier) 설계를 통해 Op-Amp와 전력증폭기(Power Amplifier) 회로의 기본적인 특성 을 익히고 이해하여 기초적인 저주파 증폭기(Low Frequency Amplifier)를 설 계 및 제작할 수 있다.
□ 준비물
Op-Amp: LM324 (없으면 LM301)
Compensation Capacitor: 10, 30 [pF]
Power Amplifier: LM380
Speaker: 구동전류(0.8 [A]), 내부저항(
5 Ω
)DC Blocking Capacitor: 50 [uF]
예비보고서(100점)
1. Op-amp와 전력증폭기의 특성을 비교(유사성, 차이점 등) 검토하시오.
(20점)
2. Op-amp에서 capacitance compensation이 필요한 이유를 증폭기의 발 진(oscillation) 관점에서 설명하시오. Capacitance compensation으로 인해 op-amp 특성이 나빠지는 문제점도 설명하시오. (30점)
3. 다음 회로를 설계하시오. (50점)
주의) EMtool Design Studio로 simulation 하지 말 것
RS = 50Ω, RL = 5Ω으로 가정
Inverting mode로 AV =100 이 되는 증폭기를 계산하여 설계하시오.
(25점)
Non-inverting mode로 AV =100이 되는 증폭기를 계산하여 설계하시 오. (25점)
결과보고서(설계 및 제작 방법: 200점)
1. EMtool Design Studio를 활용하여 전압이득(voltage gain)이 40 dB인 op- amp를 설계한다. (80점)
Inverting mode와 non-inverting mode를 모두 설계한다. (40점)
설계시 RS = 50Ω, RL = 5Ω으로 가정한다.
V V
VCC = + =15 , VEE =V− =−15V , v mV
i =1 의 전압을 인가한다.
Simulation S/W: EMtool Design Studio를 이용
설계시 고려요소: 최대 출력 전류, 부하 효과(loading effect)
Op-amp가 최대로 낼 수 있는 출력 전류(maximum output current) 는 얼마인가 확인하라. 이를 구하기 위해 RL =0이라 둔다. (10점)
설계 결과물의 부하 조건(
5 Ω 100 ~ Ω
)에 따른 전압 이득 특성을 관찰 하시오. 예를 들어 RL =5,50,100Ω라고 가정한다. (20점)이전에 설계한 40 dB attenuator를 입력에 달아서 op-amp의 이득특 성을 출력전압 관점에서 관찰한다. (10점)
2. 설계한 op-amp를 직접 제작한다. (120점)
이전에 설계한 40 dB attenuator를 입력에 단다.
Op-amp의 RL은 제거하여 부하를 개방으로 만든다. 이때 증폭기 성 능을 출력전압 관점으로 검증한다. 입력전압을 증가시켰을 때 출력전 압이 bias로 포화되는 특성이 나타나야 한다. (20점)
부하가 개방인 경우 op-amp의 전압이득을 측정한다. (10점)
부하에 RL = 5Ω을 단 경우 전압이득을 측정한다. RL = 5Ω인 경우 부 하의 출력전압은 정상적으로 관측되는가? (20점)
최대 출력 전류와 부하 효과를 고려하여 inverting mode와 non- inverting mode 중 하나를 선택하여 op-amp를 제작한다. Inverting mode와 non-inverting mode 중 하나를 특성이 좋다고 판단한 기준 은 무엇인가? (10점)
Capacitance compensation이 필요한 op-amp라면 datasheet에 주 어진 대로 capacitor를 연결하라.
Op-amp가 구동할 수 있는 최대 주파수(maximum operating
frequency)를 구하고 주파수 응답(frequency response)을 전압 이득 관점에서 관찰하라. 차단주파수(cutoff frequency) 5 [kHz]를 만족하 고 있는가? (20점)
Op-amp의 등가 출력 저항 Ro를 측정하라. 이를 위해 부하에 가변 저항을 사용한다. (20점)
부하가 R =L RL1일 때 부하 전압측정값을 V1
부하가 R =L RL2일 때 부하 전압측정값을 V2
이때
2 1 1 2
2 1 2 1
L L
L L
o
V R V R
V R V
R R
−
= −
로 계산할 수 있다.Op-amp의 최대 출력 전류를 측정하라. RL =0이라 두면 이 값을 측 정할 수 있다. (10점)
음성신호 증폭기로 위에서 제작한 op-amp를 사용할 수 있는가? (10 점)
