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응용전자회로 강의록 #1. 2010103821 생체의공학과 최준민 제출일 2014.03.24( 월 ). Operational Amplifier Fundamentals. 증폭기의 간단한 구조. +. +. Amplifier. Input(V i ). output(V o ). -. -. V. T 1 = Asinwt. A. Op amp ①Bipolar : 양 극 모두 가진 ② Monopolar : 한 극만 가진. t. Bipolar Signal. - PowerPoint PPT Presentation
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1 최준민
Dept. of Biomed. Eng. BME303:Applied Electronic Circuit Kyung Hee Univ.
응용전자회로 강의록 #1
2010103821 생체의공학과 최준민제출일 2014.03.24( 월 )
2 최준민
Dept. of Biomed. Eng. BME303:Applied Electronic Circuit Kyung Hee Univ.Operational Amplifier Fundamen-tals• 증폭기의 간단한 구조
Amplifier
+ +
--Input(Vi) output(Vo)
Op amp ①Bipolar : 양 극 모두 가진 ②Monopolar : 한 극만 가진
T1=Asinwt
t
V
A
Bipolar Signal
3 최준민
Dept. of Biomed. Eng. BME303:Applied Electronic Circuit Kyung Hee Univ.
Reference Point• Reference Point : Ground 지점을 잡아주는 것 , 즉 기준점을 잡아준다 .
1.5V
Reference Point
①
②
1.5V
①
②
1.5V
①
②
① : 1.5V ②: -1.5V ① : 3.0V ②: 1.5V ① : -1.5V ②: -3.0V
4 최준민
Dept. of Biomed. Eng. BME303:Applied Electronic Circuit Kyung Hee Univ.테브닝 등가회로• 등가회로 : 복잡한 회로 → if 선형적 요소가 포함 하나의 저항과 하나의 전압으로 표현
→
일반적인 전압 증폭기의 등가회로
V s
R s
+-
V s
R s
R i
R o
R L
ViVoaVi
5 최준민
Dept. of Biomed. Eng. BME303:Applied Electronic Circuit Kyung Hee Univ.
Voltage Amplifier
+-
V s
R s
R i
R o
R LVi
VoaVi
aRR
RRR
RVVA
aVRR
RVVRR
RV
Lo
L
is
i
s
iv
iLo
Ls
is
ii
0
여기서 Vi 에 걸리는 전압은 되도록 ↑ → Rs<Ri 즉 , Ri 는 클수록Vo 에 걸리는 전압이 크기 위해서는 Ro < RL 이므로 Ro 는 작을수록 전압 이득이 좋다즉 , Ri 는 클수록 Ro 는 작을수록 Loading Effect 가 감소하게 된다 .
입력부의 Loading Effect
출력부의 Loading Effect
6 최준민
Dept. of Biomed. Eng. BME303:Applied Electronic Circuit Kyung Hee Univ.
Current Amplifier
R s R i R oR Lis
iI
aiI
io
aRR
RRR
RiiA
aiRR
RiiRR
Ri
Lo
o
Is
s
s
oI
ILo
oos
Is
sI
입력부에서 흐르는 전류는 Ri 저항쪽에 많이 흘러야 하므로 → Ri<Rs ( 병렬이므로 )
출력부에서 RL 에 흐르는 전류가 많기 위해서는 → RL<Ro( 병렬이므로 )
Loading Effect 가 최소가 되기 위해서는 Ri 는 작을수록 , Ro 는 클수록 좋다 .
7 최준민
Dept. of Biomed. Eng. BME303:Applied Electronic Circuit Kyung Hee Univ.
Trans Registance Amplifier
R s R i
R o
R Lis +- aiI
iIVo
aRR
RRR
RiVA
aiRR
RViRR
Ri
Lo
L
Is
s
s
oR
ILo
Los
Is
sI
위 그림은 입력부는 전류원을 가지고 출력부는 전압원을 가진다 .
입력부에서는 흐르는 전류는 Ri 저항쪽에 많이 흘러야 하므로 → Ri<Rs
Vo 에 걸리는 전압이 크기 위해서는 Ro < RL 이므로 Ro 는 작을수록 좋다 .
즉 , Loading Effect 가 최소가 되기 위해서는 Ri 는 작을수록 , Ro 는 작을수록 좋다 .
이 때의 이득률은 R의 단위 Ω 을 가진다 .
8 최준민
Dept. of Biomed. Eng. BME303:Applied Electronic Circuit Kyung Hee Univ.
Trans Conduction AmplifierV s
R s
R i R oR L
Vi
aVi io
위 그림은 입력부는 전압원을 가지고 출력부는 입력원을 가진다 .
입력부에서는 흐르는 전압은 Ri 저항쪽에 많이 흘러야 하므로 → Rs < Ri
io 에 걸리는 전압이 크기 위해서는 RL < Ro 이므로 Ro 는 클수록 좋다 .
즉 , Loading Effect 가 최소가 되기 위해서는 Ri 는 클수록 , Ro 는 작을수록 좋다 .
aRR
RRR
RVi
A
aVRR
RiVRR
RV
Lo
o
is
i
s
oG
iLo
os
is
ii
0
이 때의 이득률은 G 의 단위 Ʊ 을 가진다 .
9 최준민
Dept. of Biomed. Eng. BME303:Applied Electronic Circuit Kyung Hee Univ.부하와 부하저항1) 전압원전압원에서 부하란 ? 부하저항에 흘려주어야 하는 전류의 양부하저항이란 ? 말그대로 부하되는 저항의 크기
1 0 k
1 0 V
1 A 1 0
1 0 V
1 A
1mA
①
1A
②
① 의 경우 10V 를 공급하기 위해 10kΩ 에 1mA 넣으면 공급 가능 → 10W 힘으로 0.1W 사용② 의 경우 10V 를 공급하기위해 10Ω 에 1A 넣으면 공급 가능 → 10W 힘으로 10W 사용여기서 ①의부하 < ② 의부하 , ① 의 부하저항 > ② 의 부하저항
10 최준민
Dept. of Biomed. Eng. BME303:Applied Electronic Circuit Kyung Hee Univ.부하와 부하저항1
1 0 V
1 A
위의 회로는 OverLoad 된 회로이다 .
그 이유는 10V 의 전압이 들어 갔을 때 1Ω 에 흐르는 전류는 10A 가 되는데 여기서 최대전류 허용범위가 1A 이다 . 그러므로 최대전류인 1A 가 흐르게 되고 결국 위 회로는 1V 가흐르는 과부하 상태가 된다 . 즉 , 부하저항에 10V 를 공급해주기 위해서는 전원장치의 최대 전류허용범위가 10A 가 된다면 공급 가능하다 .
11 최준민
Dept. of Biomed. Eng. BME303:Applied Electronic Circuit Kyung Hee Univ.부하와 부하저항2) 전류원전류원에서 부하란 ? 부하저항에 흐르는 전압의 크기를 의미한다 .
11 0 V1 A
1 01 0 V1 A① ②
① 의 경우 1A 를 공급하기 위해 1Ω 에 1V 넣으면 공급 가능 → 10W 힘으로 1W 사용② 의 경우 1A 를 공급하기위해 10Ω 에 10v 넣으면 공급 가능 → 10W 힘으로 10W 사용여기서 ①의부하 < ② 의부하 , ① 의 부하저항 < ② 의 부하저항만약 , 저항이 100Ω 이라면 흐르는 전압이 100V 가 흘러야 하므로 OverLoad!
12 최준민
Dept. of Biomed. Eng. BME303:Applied Electronic Circuit Kyung Hee Univ.
OP AMP• 일반적으로 5 개의 단자를 가지는 OP Amp
VP
VN
Vo
-V
+V
VD
R dR o
0
+-
+V
-V
VP
VN
VoVD확대
Differential Input Single Ended output
VD = VP-VN
aVD
13 최준민
Dept. of Biomed. Eng. BME303:Applied Electronic Circuit Kyung Hee Univ.
OP AMP• Ideal OP Amp 의 조건 ( 이상적인 OP Amp 의 조건 )
1) 입력에서의 부하가 없어야 → Rd = 무한대2) 증폭량이 크기 위해서 a = 무한대3) 출력에서의 부하가 없어야 → Ro = 0
VP
VN
Vo
-V
+V
VD
VP = aVD
a 가 무한대 이므로 VD=0
VD = 0 이 되기 위해서는VP = VN
즉 , iP = iN = 0
iP = 0
iN= 0
14 최준민
Dept. of Biomed. Eng. BME303:Applied Electronic Circuit Kyung Hee Univ.
Signal 의 종류• Single Ended signal : 하나의 기준점을 기준으로 다른 지점을 표현• Differential Ended signal : 기준점 없이 두 개 이상의 신호로 표현
VP
VN
Vo
-V
+V
VD
Differential Input Single Ended output
VD = VP-VN
예 )Single Ended voltage: V1, V2 , V3…..
Differential Voltage: V21 = V2-V1
15 최준민
Dept. of Biomed. Eng. BME303:Applied Electronic Circuit Kyung Hee Univ.
Signal 의 종류V 1 V 2
0 0
- VDM +
DMCMDMCM
CM
DM
VVVVVV
signalCommonVVV
signalalDifferentiVVV
21
21
mode : )(21
mode :
21
12
12
이용하면연립방정식을
-+
+-
V1
+-
+-
V12
VDM/2 VDM/2
VCM VCM
a- +
+ -
- +
V1
V12
VDM/2
VDM/2
VCM
16 최준민
Dept. of Biomed. Eng. BME303:Applied Electronic Circuit Kyung Hee Univ.
Negative Feed Back• =De generative : 안정화 시키는 시스템일반적으로 입력이 ↑ → 출력↑ 이때 출력이 유지되기를 원한다면 Negative FeedBack 을 이용
Σ α
β
Xi Xd Xo
Xf
+
-
Feed Back ratio(factor)
Negative FeedBack
17 최준민
Dept. of Biomed. Eng. BME303:Applied Electronic Circuit Kyung Hee Univ.
Negative Feed BackΣ
α
β
Xi Xd Xo
Xf
+
-
1lim lim 1
1
) : , : 1(
: 1
Ta
AorA
TT
TA
gainloofTfeedbackofamount
gainloofclosedaAXX
XXX
XXXX
i
o
fid
of
do
Negative Feedback 은 입력과출력을 안정화 시키며 입력전압↑ , 출력↓ 하는데 효과적이지만 전압이득↓
18 최준민
Dept. of Biomed. Eng. BME303:Applied Electronic Circuit Kyung Hee Univ.
Negative FeedBack• Negative Feed Back 을 가지는 선형 OPAMP 의 해석1) VP = VN
2) iP = iN = 03) -VCC + VH ≤ Vo ≤ VCC - VH : 출력이 포화된 점
OPAMP 에 따라 다르지만 보통 0~2V 중 한 값으로 고정된 값
VP
VN
Vo
-V
+V
VD
iP = 0
iN= 0
*Negative Feed Back 의 장점1) Close loof gain 의 입 , 출력 = 선형적인 관계2) 피드백 사이에 들어온 잡음↓
19 최준민
Dept. of Biomed. Eng. BME303:Applied Electronic Circuit Kyung Hee Univ.
Non-inverting AmplifierN o n -in v e rt in g O P A M P
+
-
O U T
R 2
1 k
R 1
0
Vi
Vo
Negative Feed back
=Vi
1
2
1
2
21
1
1
1
RR
VVA
OPAMPInvertingNon
VRRVV
RRRV
OPAMP
i
oV
iooi
전압이득률의
사용하면전압분배법칙을따라이상조건에
20 최준민
Dept. of Biomed. Eng. BME303:Applied Electronic Circuit Kyung Hee Univ.
Non-inverting Amplifier• 회로해석을 위한 Non-Inverting AMP 의 등가회로 (NO ideal)
R 1 R 2
R d
R o
0
0
①
②
0
2
0
KCL 1
02
21
RVaV
RVV
KCLRVV
RV
RVV
ODON
NON
d
Ni
에서의노드
에서의노드
Vi
VO
+-Vd aVd
1
2
1
02
1
2
1
2
11
1
RR
RR
RRR
RRa
RRa
RR
VVA
o
d
d
o
i
O
a=106 ~ 107 이므로A 에 비하면 나머지 값들은 모두 너무 작은 값 !
21 최준민
Dept. of Biomed. Eng. BME303:Applied Electronic Circuit Kyung Hee Univ.
Non-inverting AmplifierN o n -in v e r t in g O P A M P
+
-
O U T
R 2
1 k
R 1
0
V
i Test 전압 V 를 입력원에 인가시켰을 때 전류의 양으로비를 구해 저항을 구한다 .
Ri=V/i 일때 i 는 이상적이 OPAMP 의 특성에 따라 i =0
이므로 Ri = 무한대 즉 , 입력저항 = 무한대N o n -in v e rt in g O P A M P
+
-
O U T
R 2
1 k
R 1
0
0 출력저항을 구하기 위해서 입력원을 그라운드로 연결 시킨다 . 그러면 양단의 입력의 VP=VN=0 이 되게되고 VD=0 이 된다 . aVD = 0 이 되게 되므로 R = V/i = 0
즉 , 출력저항 = 0 이 된다 .
i
* 입력저항과 출력저항
22 최준민
Dept. of Biomed. Eng. BME303:Applied Electronic Circuit Kyung Hee Univ.
Inverting Amplifier• 이득률이 음수 ( 위상이 반대 )
Vi
Vo
I n v e rt in g O P A M P
+
-
O U T
0
R 2R 1
1
2
1
2
22
11
,0
RR
VVA
OPAMPInverting
VRRV
RVi
RVi
VViOPAMP
i
oV
io
oi
NPN
전압이득률의
이므로따라이상조건에
Virtual Ground
i2
i1
23 최준민
Dept. of Biomed. Eng. BME303:Applied Electronic Circuit Kyung Hee Univ.
Inverting Amplifier* 입력저항과 출력저항
I n v e rt in g O P A M P
+
-
O U T
0
R 2R 1
I n v e rt in g O P A M P
+
-
O U T
0
R 2R 1 Virtual ground 로 인해 VN=0 이 걸리므로 V 를 걸어주었을 때 전류 i = V/R1 이므로Ri = V/I = R1 즉 , 입력저항 = R1
i
Virtualground
VN=0 V
출력저항을 구하기 위해서 입력원을 그라운드로 연결 시킨다 . 그러면 양단의 입력의 VP=VN=0 이 되게되고 VD=0 이 된다 . aVD = 0 이 되게 되므로 R = V/i = 0
즉 , 출력저항 = 0 이 된다 .
반전 or 비반전 출력저항 = 0
0
V i
24 최준민
Dept. of Biomed. Eng. BME303:Applied Electronic Circuit Kyung Hee Univ.
Voltage Buffer (=Unity gain)
B u f f e r
+
-
O U T
R 2
R 1
0
Vi
Vo
증폭기배인이득률 1 1
0 , 1
0
211
20
i
i
VV
RRVRRV
B u f f e r
+
-
O U T
B u f f e r
+
-
O U TR s
V s
0
R 1 N o n -in v e rt in g A m p
+
-
O U T
0
R 2
버퍼→부하효과 없앤다 .iP = 0 이므로Vs
버퍼로 인해 Vs 전압이결국 R1, R2 에 흐른다 .
( 부하효과 없이 )