실험 목

1.

‚

2.

그

3.

실험 목

연산증폭기 폐루프 이

실험 회

A. 연산증 증폭기

그림 3.1. 연

실험 장

A. 공통

Lab

목표

기 반전 증 득에 대한

로

증폭기 폐 기 회로

연산증폭기

장비 및 부

. 3. 연

증폭기 회로 주파수 특

폐루프 이득

폐루프 반

부품 리스

산 증폭

로를 구성 특성을 이해

득의 주파

반전 증폭기

스트

폭기 주

성해서 연산 해

파수 특성

기 회로의 주

주파수

산증폭기의

을 실험하

주파수 특성

특성

개방루프

하기 위한

성 측정 회

실험

프 이득과

한 반전

회로

‚ NI ELVIS II

‚ MultiSim (혹은 SPICE와 같은 회로 시뮬레이터)

‚ PC : NI MultiSim과 ELVIS II 용도

B. BJT 공통 이미터 증폭기 회로 실험

‚ OP-AMP LM741CN: 1개

‚ 저항: 1kΩ 2개, 10 kΩ 1개, 100kΩ 1개

4. Pre-Lab(예비 실험)

A. 기본 이론 조사

(1) 연산 증폭기의 개방루프 이득(Open-loop Gain)의 주파수 특성에 대해서 설명하시오.

- Floyd 교재: 627-633 페이지

(2) 연산 증폭기의 반전 증폭기 회로의 폐루프 전압이득에 대해서 설명하시오.

- Floyd 교재: 633-636 페이지

(3) 연산 증폭기의 반전 증폭기 회로의 폐루프 전압이득의 주파수 특성에 대해서 설명하고 특히 개방루프 이득의 주파수 특성과의 관계를 설명하시오.

- Floyd 교재: 633-636 페이지

(4) 이득 대역폭 곱과 단위 이득 주파수에 대해서 설명하고 이들 둘 사이의 관계를 설명하시오.

- Floyd 교재: 633-636 페이지

B. MultiSim 사용한 모의 실험(시뮬레이션)

(1) 연산증폭기의 반전 증폭기 회로 (시간영역에서 측정)

‚ 3가지 피드백 저항 Rf에 대해서 연산증폭기 반전 증폭기 회로 (그림 3.2)에 입력 전압 (Vin)과 출력 전압 (Vout)을 오실로스코프로 측정하시오.

- XFG1 Offset 0 - XSC1 그래프를 -다양한 전압이득 - 주파수 찾아서

- 중간영 나오는 찾아라.

- 추출한

은 함수발생 0V

1은 오실로 를 출력하시 한 주파수

득(Acl)을 계 수를 변화시

표 3.1 에 영역 전압

주파수부 . 그 주파수 한 임계주

그림 생기이고

로스코프이고 시오.

에 대해서 계산하라. 여

시켜도 일 작성하시오 이득 Acl(m

터 시작해 수가 임계

파수(대역폭

3.2. 연산증 다음과 같이

고 이것을

서 오실로 여기서 폐루

정한 전압 오. 그 전압

mid) 보다 -3 서 주파수 주파수 fu이 폭)와 중간

증폭기 반전 이 설정: 정

이용해서

로스코프로 루프 전압이

이득(혹은 압이득이 중

3dB 감소하 수를 증가시

이고 이 값 간영역 전압

전 증폭기 정현파, Freq

입력 전압

측정한 이득인 Acl

출력전압의 중간영역 이 하는 임계 주

키면 Acl(mi

을 표 3.1에 압 이득을

측정 회로

quency 1kH

압 (Vin)과

결과를

= Vout(p-p) /V 의 첨두간 이득 Acl(mid)

주파수 (fc)

id) 가 0.707 에 적으시오

이용해서 로

Hz, Amplitud

출력 전압

이용해서

V

전압 Vout

임.

): 중간영역 7Acl(mid)인 오.

이득 대역

de 0.05Vp,

압 (Vout)의

폐루프

t(pp)) 값을

역 이득이 주파수를

역폭 곱인

GBP =

표 3.1.

R

[kΩ

1 10 100

(2) 연산

‚

그림

Acl(mid)⋅

BW

Multisim을 Ω]

0

산증폭기의 3가지 피드 구성하고

림 3.4. Mul

W

을 이용한

A

반전 증폭 드백 저항

보드 플로

ltiSim을 이

해서 표 3.

연산증폭기

A

폭기 회로

R

이용해서 구

.1에 적으시

기 반전 증

(mid)[dB]

(주파수영역 해서 연산증

해서 주파수

구성한 연산

시오. 여기

증폭기의 주 임계주

f

역에서 측정 증폭기 반전

수 특성(보

산증폭기 반

서는 대역

파수 특성 주파수 [Hz]

정)

전 증폭기 보드선도)를

반전 증폭기

폭과 임계

측정 결과

GB

회로 (그림 측정하시오

회로(주파

주파수가

과

BP

림 3.4)를 오.

파수영역).

- 여기서 - 보드

그 - 보드

임계주 성하시 표 3.2.

R

1 10 100

(3) 반전 이론

서 XBP1은 플로터를

그림 3.5. 보 플로터로 주파수 fc와 시오.

Multisim을

A

보드 분석기

이용

전 증폭기의 론값을 계산

은 보드 플로 그림 3.5 와

보드 플로터 시뮬레이션 와 이득 대

을 이용한

l(mid)[dB]

오실로스 이용(표

의 폐루프 산하고 그림

로터(Bode P 와 같이 설

터의 설정 션한 결과 역폭 곱인

연산증폭기

코프 3.1)

보 분석

이

프 전압이득 림 3.3에 보

Plotter)임.

정하고 시

범위(시작

를 커서를

GBP (= A

기 반전 증 임계주파수 보드

석기 이용

오 이

득(Acl(mid))의 보여진 그래

뮬레이션하

작 주파수 I:

이용해서

A

BW)를

증폭기의 주

수 fc [Hz]

실로스코프 이용(표 3.1)

공식 (Ac

래프에서 계 하시오.

: 10Hz, 끝 중간영역 를 계산하여

파수 특성

프 )

보드 분석기

이용

cl(mid) = |-R 계산한 Acl(

주파수 F 전압 이득 여 다음 표

측정 결과

GBP

기 용

오실로 이 (표

R

(mid) 값을

: 10MHz)

득 Acl(mid),

3.2에 작

과

로스코프 이용 표 3.1)

이용해서 이용해서

임계주파수를 추출하고 그 값들을 표 3.3에 작성하시오.

표 3.3 반전 증폭기의 폐루프 전압이득(Acl) 계산 값을 연산증폭기 개방루프 이득의 주파수 특성 곡선에 적용해서 추출한 주파수 특성 측정 결과

R

[kΩ] A

그래프에서 찾은 차단주파수

f

[Hz]

GBP

1 10 100

- 참고: 연산증폭기 개방루프 이득의 주파수 특성 곡선에서 연산증폭기 폐루프 이득을 가지고 연산증폭기 폐루프의 차단주파수 추출하는 방법은 다음과 같다.

① 연산증폭기 개방루프 이득의 주파수 특성 곡선에서 주파수 1Hz에서 연산증폭기 폐루프 이득 값을 표시

② 표시한 연산증폭기 폐루프 이득 값을 고정하고 주파수를 증가하면서 그 값이 연산증폭기 개방루프 이득의 주파수 특성 곡선과 만나는 주파수가 연산증폭기 폐루프의 임계주파수임

(4) Gra 특성

1

LM741

그 apher View를 성(보드 선

C. 다음 절차를

1 데이터 시트

그림 3.3. 연 를 이용해서

도)를 Exce

“5. In-Lab 를 간단히

트

연산증폭기 서 위에 시 el에 export

b(본 실험 히 요약하시

개방루프 시뮬레이션한

t해서 Excel

험): NI ELV 시오.

이득의 주 한 연산증폭

l에서 그래

VIS II 사

주파수 특성 폭기의 반전 래프로 출력

용”을 참

성 곡선¹ 전 증폭기의

하시오.

참고해서 실

의 주파수

실험

5. In-Lab(본 실험): NI ELVIS II 사용

A. DMM 이용한 소자 값 측정

- “부록 A.1 DMM을 이용한 전압, 전류, 저항, 캐패시턴스, 인덕턴스, 다이오드 전압, 단락 측정”을 참고해서 저항, 캐패시턴스를 측정하시오.

표 3.4. DMM을 이용한 저항, 캐패시턴스 측정

소자 규격 측정 값

저항

1kΩ 1kΩ 10kΩ 100kΩ

B. 연산 증폭기 주파수 특성 측정

(1) ELVIS II를 이용해서 연산증폭기의 반전 증폭기 회로 측정(시간영역에서 측정)

‚ ELVIS II를 이용해서 3가지 피드백 저항 Rf에 대해서 연산증폭기 반전 증폭기 회로 (그림 3.2)에 입력 전압 (Vin)과 출력 전압 (Vout)을 오실로스코프로 측정하시오.

- XFG1은 함수발생기이고 다음과 같이 설정: 정현파, Frequency 1kHz, Amplitude 0.2Vpp, Offset 0V

- XSC1은 오실로스코프이고 이것을 이용해서 입력 전압 (Vin)과 출력 전압 (Vout)의 그래프를 출력하시오.

- 다양한 주파수에 대해서 오실로스코프로 측정한 결과를 이용해서 폐루프 전압이득(Acl)을 계산하라. 여기서 폐루프 전압이득인 Acl = Vout(p-p) /Vin(p-p) 임.

- 주파수를 변화시켜도 일정한 전압이득(혹은 출력전압의 첨두간 전압 Vout(pp)) 값을 찾아서 표 3.5에 작성하시오. 그 전압이득이 중간영역 이득 Acl(mid) 임.

- 중간영역 전압 이득 Acl(mid) 보다 -3dB 감소하는 임계 주파수 (fc): 중간영역 이득이 나오는 주파수부터 시작해서 주파수를 증가시키면 Acl(mid) 가 0.707Acl(mid)인 주파수를 찾아라. 그 주파수가 임계 주파수 fc이고 이 값을 표 3.5에 적으시오.

- 추출한 임계주파수(대역폭)와 중간영역 전압 이득을 이용해서 이득 대역폭 곱인 GBP = Acl(mid)⋅

BW

표 3.5. ELVIS II 를 이용해서 측정한 연산증폭기 반전 증폭기의 주파수 특성 결과

R

[kΩ] A

A

f

[Hz] GBP

1 10 100

(2) ELVIS II를 이용해서 연산증폭기의 반전 증폭기 회로 (주파수영역에서 측정) (1) ELVIS II를 이용해서 3가지 피드백 저항 Rf에 대해서 연산증폭기 반전 증폭기

회로 (그림 3.4와 그림 3.5 참고)를 구성하고 “부록 A.4 ELVIS II를 이용한 주파수 특성 측정 (Bode plot)”을 참고해서 보드 분석기(Bode Analyzer)으로 측정하시오.

‚ 주의 사항 (그림 3.5 참고): Bode Analyzer

창만 띄우고 측정하시오.

- 입력 Vin: Prototyping Board 왼쪽 입출력 인터페이스의 33 번 FGEN 으로 연결하고 오실로스코프 CH0 와 연결

- 출력 Vout: 오실로스코프 CH1 과 연결

그림 3

‚

그림

.5. ELVIS I

보드 분석

3.6. 보드

II의 보드

기를 이용

분석기의

분석기를

해서 그림

설정 범위

이용한 연

3.6과 같이

위(Start Fre

산증폭기

이 설정하고

quency: 10

반전 증폭

고 측정하시

0Hz, Stop F

기 측정 회

시오.

Frequency:

회로 사진

5MHz)

- 보드 분석기로 측정한 결과를 커서를 이용해서 중간영역 전압 이득 Acl(mid), 임계주 파수 fc와 이득 대역폭 곱인 GBP (= Acl(mid)⋅

BW)를 계산하여 다음 표 3.6에 작성하시

단, 여기서 임계주파수 fc는 전압이득이 중간영역이득보다 -3dB 적을 때 주파수임.

표 3.6. ELVIS II 의 보드 분석기을 이용한 연산증폭기 반전 증폭기의 주파수 특성 측정 결과

R

A

GBP

보드 분석기

이용

오실로스코프 이용(표 3.5)

보드 분석기

이용

오실로스코프 이용(표 3.5)

보드 분석기

이용

오실로스코프 이용 (표 3.5)

1

10

100

(4) 연산증폭기의 반전 증폭기의 주파수 특성(보드 선도)를 log 해서 얻은 데이터를 Excel에서 불러서 그래프로 출력하시오.

6. Post-Lab(실험 후 과정)

1. Pre-Lab(4절)에서 MultiSim으로 시뮬레이션한 데이터와 In-Lab(5절)에서 NI ELVIS II 로 측정한 데이터를 Pre-Lab(4절)에서 구한 이론 값(연산증폭기 개방루프이득의 주 파수 특성 곡성을 이용한 결과)과 비교하시오.

- 표 3.2에 보여진 MultiSim으로 시뮬레이션한 결과와 표 3.6에 보여진 NI ELVIS II 로 측정한 결과를 이론 계산 값인 표 3.3 결과와 서로 비교하고 차이가 있다면 그 원인을 분석하시오.

2. Excel을 이용해서 시뮬레이션 데이터와 측정 데이터를 하나의 그래프로 그려서 비 교하시오.