한경대학교 전기전자제어공학과 유동상 교수

한경대학교 전기전자제어공학과

유동상 교수

• 실험 목적

- 연산증폭기의 특성 및 응용회로 이해

• 강의 내용

- 연산 증폭기 - 비교기

- 비반전 증폭기/전압 팔로워 - 반전 증폭기

• 오늘의 실험

- Multisim을 이용한 시뮬레이션

- 브레드보드에 회로 구성을 통한 실험 및 계측

• 연산증폭기 (Operational Amplifier, OP-Amp) ?

- OP-Amp는 다른 전기소자와 함께 사용하여 높은 이득을 얻을 수 있는 설계된 신호처리에 적합한 집적회로 (IC) 형태의 능동소자 - 두 개의 입력 (비반전, 반전 입력)과 하나의 출력을 가짐

- 입출력과 별도로 OP-Amp를 동작시키기 위한 두 가지 전원(양의 전원과 음의 전원)이 필요 (심볼에서는 생략되어 표현되는 경우 가 많음)

• 이상적인 연산증폭기

- 입력 임피던스 (Z_in)는 비반전 단자와 반전 단자 사이에 나타나는 임피던스를 의미하며, 무한대 임피던스를 가짐

→ 따라서, 두 입력 단자로 전류가 흘러 들어갈 수 없음

- 출력 임피던스 (Z_out)는 출력단자와 접지 사이의 임피던스이며, 0 (zero) 임피던스를 가짐

- 전압 이득 (A_v)는 출력전압과 입력전압의 비로 무한대 이득을 가짐 - 대역폭 (Bandwidth, BW)는 무한대





















BW v A v

Z Z

in out v

out in

] [ 0

]

[

• 실제 연산증폭기

- 실제로는 이상적인 소자를 만들 수 없으므로, OP-Amp도 전압 및 전류에 대한 제한을 가지며, 첨두치 출력 전압은 인가된 두 개의 전원보다 조금 작게 출력됨

 예) OP-Amp 구동용 전원이 -15V와 +15V일 때 최대 출력 전압 은 대략 -13V에서 +13V 사이

 또한 부하에 따라 출력 전압이 제한 (전력 제한에 따라 출력단 에 구동할 수 있는 전류가 제한되어 출력전압이 저항)

- 실제적인 OP-Amp는 매우 높은 전압이득, 매우 큰 입력 임피던스 및 매우 작은 출력 임피던스를 가짐

• 차동 모드 (Differential Mode)

- 하나의 입력에 신호가 인가되고 다른 입력은 접지되어 있는 상태 (Single-ended differential mode) 이거나 반대 극성을 가진 두 개의 신호가 두 개의 입력에 각각 인가되는 상태 (Double-ended

differential mode)

Single-ended differential mode

Double-ended differential mode

• 공통 모드 (Common Mode)

- 동일한 신호 (위상, 주파수, 크기)가 두 입력단자에 인가되는 경 우

- OP-Amp를 통하면서 서로 상쇄되어 출력이 0가 됨 (Common- mode rejection)

- Common-mode rejection ratio (CMRR) : 차동 신호를 증폭하고 공 통 신호는 제거하는 능력

• 부궤환이란?

- 출력전압의 일부분을 입력신호와 위상이 반대 (180°)되게 하여 입력에 되돌려 인가하는 것

- OP-Amp의 반전단자는 효과적으로 입력 신호와 위상이 180° 차 이가 나는 신호를 만들 수 있음

• 왜 부궤환을 사용하는가?

- 전형적인 OP-Amp의 전압이득은 10⁵보다 크므로 아주 작은 입력 신 호에 대해서도 출력이 포화 상태가 됨

 V_in = 1mV, A_v=100,000 → V_out = (1mV)(100,000)=100V

- 부궤환이 없으면 OP-Amp의 용도가 비교기 (Comparator)로 제한됨 - 부궤환을 통해 전압이득을 제한하고 조절할 수 있어 OP-Amp를 선

형소자처럼 활용가능

• 비교기

- 하나의 입력과 다른 입력의 크기를 비교하기 위해 사용 - 부궤환 없이 개회로 구조 (Open-loop configuration)로 사용

• 0 수준 검출 (Zero-level Detection)

- 반전 단자를 접지시킴으로써 비반전 단자에 인가되는 신호가 0보다 큰지 작은지를 감지할 수 있음

- 0 수준 검출기는 정현파로 구형파로 바꾸는 회로로 이용 가능

• 일정 수준 검출 (Nonzero-level detector)

- 반전 단자에 일정 수준의 전압을 기준전압으로 인가함으로써 비반 전 단자에 인가되는 전압의 크기가 기준전압보다 큰지 작은지를 검 출할 수 있음

• 비반전 증폭기

- 비반전 입력단에 신호를 인가하고, 출력전압을 분배하여 반전 입력 단자로 부궤환에 신호를 증폭하는 회로

- 신호의 위상 변화없이 증폭하는 특징이 있음 - 증폭비 유도 (이상적인 OP-Amp로 가정)

in i

f

out

V

R V R 



 



 

 1

in f

out f

i i f

V V

R V R

V R



 

• 전압 팔로워

- 비반전 증폭기의 특별한 사례로 궤환 저항이 0이고 입력 저항이 무 한대인 경우

- 증폭비 유도 (이상적인 OP-Amp로 가정)

in

out

V

V 

• 반전 증폭기

- 비반전 입력단자를 접지하고, 출력전압을 부궤환하여 입력신호와 연결한 후 반전단자에 인가하는 회로

- 입력신호가 반전 (또는 위상이 180° 전이)되어 출력 - 증폭비 유도 (이상적인 OP-Amp 가정)

f out f

i in in

R I V

R I V

 



i in f

out

R V R

V 



in i f

out

V

R

V   R

• 회로 구성

• 함수발생기 설정 : 주파수 100Hz, 진폭 2.5V_p 정현파 설정

• OP-Amp : LM318P 사용 (또는 μA741)

• 시뮬레이션 수행 : 기준 전압 V_ref를 -3V, -1V, 0V, 1V, 3V로 변경해 가 면서 시뮬레이션을 수행하여 오실로스코프로 측정한 파형을 캡처 하여 보고서에 첨부

7번 핀 : (+) 전원 공급 4번 핀 : (-) 전원 공급 2번 핀 : 반전 입력 단자 3번 핀 : 비반전 입력 단자 1, 5, 8번 핀 : 연결않음

• 회로 구성

• 함수발생기 설정 : 주파수 100Hz, 진폭 1.0V_p 정현파 설정

• OP-Amp : LM318P 사용 (또는 μA741)

• 시뮬레이션 수행 : 궤환 저항 R_f를 변경해 가면서 시뮬레이션을 수 행하여 오실로스코프로 측정한 파형을 캡처하여 보고서에 첨부하 고, 출력 첨두치를 측정하여 이론 및 시뮬레이션 증폭비를 계산

] [ 10 , 7 . 4 , 0 . 2 , 0 . 1

] [ 0 . 1









k R

k R

f i

• 시뮬레이션 결과

R_f

[kΩ] 증폭비(이론)

[V]

[V]

(실험) 1.0

2.0

4.7

10

• 회로 구성

• 함수발생기 설정 : 주파수 100Hz, 진폭 1.0V_p 정현파 설정

• OP-Amp : LM318P 사용 (또는 μA741)

• 시뮬레이션 수행 : 시뮬레이션을 수행하고, 그 결과 화면을 캡처하 여 보고서에 첨부하고, 이후 입력전압의 진폭을 변화시킬 때 출력 전압이 따라가는 것을 확인

• 회로 구성

• 함수발생기 설정 : 주파수 100Hz, 진폭 1.0V_p 정현파 설정

• OP-Amp : LM318P 사용 (또는 μA741)

• 시뮬레이션 수행 : 궤환 저항 R_f를 변경해 가면서 시뮬레이션을 수 행하여 오실로스코프로 측정한 파형을 캡처하여 보고서에 첨부하 고, 출력 첨두치를 측정하여 이론 및 시뮬레이션 증폭비를 계산

] [ 10 , 7 . 4 , 0 . 2 , 0 . 1

] [ 0 . 1









k R

k R

f i

• 시뮬레이션 결과

R_f

[kΩ] 증폭비(이론)

[V]

[V]

(실험) 1.0

2.0

4.7

10

• 연산증폭기 구동을 위한 전원 연결

CH1

CH2 CH3

DC Power Supply

7번 핀

4번 핀

공통 (기준) 접지로 활용

- CH2의 (+)단자와 CH1의 (-)단자를 연결 하기 위해서는 별도의 물리적 연결이 필요없이 파워 서플라이의 “Series” 모 드를 선택하면 내부적으로 자동 연결

7번 핀 : (+) 전원 공급 4번 핀 : (-) 전원 공급 2번 핀 : 반전 입력 단자 3번 핀 : 비반전 입력 단자 1, 5, 8번 핀 : 연결않음

CH1

CH2

• 회로 구성

XFG1

V1 15V

V2 15V Vdc

5V U1

LM318P

3 2

4

7

6

5 1 8

R1 4kΩ

R2 600Ω V_ref

• 함수발생기 설정 : 주파수 100Hz, 진폭 2.5V_p 인 정현파 설정

• OP-Amp : LM318P 사용 (또는 μA741)

• V_ref를 만들기 위해 파워 서플라이의 CH3 (5V 정전압원)를 사용

 CH3의 (-) 단자를 CH1과 CH2의 공통 접지에 연결

• 함수발생기 및 오실로스코프의 접지는 파워서플라이의 공통접지 와 연결

• 관찰 파형 그래프

] [ 0 at

] [ 0 .

0 ₂  

 V R k

V_ref V_ref 1.0[V] at R₂ 1.0[k]

] [ 0 . 6 at

] [ 0 .

3 ₂  

 V R k

V_ref

• 실험 회로 구성

XFG1

V1 15V

V2 15V R_in1kΩ

U1

LM318P

3 2

4

7

6

5 1 8

R_f 10kΩ

Vout Vin

• 함수발생기 설정 : 주파수 100Hz, 진폭 1.0V_p인 정현파 설정

• 함수발생기 및 오실로스코프의 접지는 파워서플라이의 공통접지와 연결

• 관찰 파형 그래프

] [ 0 .

1 

 k

R_f R_f 2.0[k]

] [ 7 .

4 

 k

R_f R_f 10.0[k]

항목 결과 V_in [V]

V_out [V]

증폭비 (이론) 증폭비 (실험)

항목 결과 V_in [V]

V_out [V]

증폭비 (이론) 증폭비 (실험)

항목 결과 V_in [V]

V_out [V]

증폭비 (이론) 증폭비 (실험)

항목 결과 V_in [V]

V_out [V]

증폭비 (이론) 증폭비 (실험)

• 실험 회로 구성

• 함수발생기 설정 : 주파수 100Hz, 진폭 1.0V_p인 정현파 설정 후 진폭을 변화시켜 가면서 출력 파형 관찰

• 함수발생기 및 오실로스코프의 접지는 파워서플라이의 공통접지와 연결

• 관찰 파형 그래프

p

in V

V 5.0

• 실험 회로 구성

• 함수발생기 설정 : 주파수 100Hz, 진폭 1.0V_p인 정현파 설정

• 함수발생기 및 오실로스코프의 접지는 파워서플라이의 공통접지와 연결

XFG1

V1 15V

V2 15V R_in1kΩ

U1

LM318P

3 2

4

7

6

5 1 8

R_f 10kΩ

Vin Vout

• 관찰 파형 그래프

] [ 0 .

1 

 k

R_f R_f 2.0[k]

] [ 7 .

4 

 k

R_f R_f 10.0[k]

항목 결과 V_in [V]

V_out [V]

증폭비 (이론) 증폭비 (실험)

항목 결과 V_in [V]

V_out [V]

증폭비 (이론) 증폭비 (실험)

항목 결과 V_in [V]

V_out [V]

증폭비 (이론) 증폭비 (실험)

항목 결과 V_in [V]

V_out [V]

증폭비 (이론) 증폭비 (실험)