그림 TLC2274 의특징 그림 에서상자쳐놓은부분을유심히보자. 단전원이든, 양전원 (Split-Supply) 이든 모든성능이완전히밝혀져있다고한다. 그러니, 안심하고쓰자. 그렇다면, 다음의 회로가단전원조건에서도잘동작하도록손좀써보자. T 2 a C1

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병철 공
5 years ago
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1 4.8 단전원 (Single Power Supply) 조건에서 Op Amp. 구동 지금껏살펴봐왔던내용은모두양전원 (Dual Power Supply) 하에서곧바로적용가능한 것들이었다. 대부분의교과서급의책들에서도양전원이공급되고있다고가정한다. 전원 공급이나동작점들을파악해야할 DC 해석은생략하는경우가대부분이다. 회로의 진국이라면서 AC 영역해석만깊이다룬다. 하지만, 현실은어떠한가? 양전원을이용하는경우보다단전원을이용하는경우가훨씬많다. 왜냐면, 단전원시스템의원가경쟁력이막강하기때문이다. 이러한추세에편승하여, 많은반도체회사들이단전원전용 Op Amp. 를출시하고있다. 기본적으로는양전원용 Op Amp. 도단전원조건에서사용가능하지만, 양전원용 Op Amp. 의경우, 제품설명서에단전원조건에서각종성능지표들이어떻게변하는지등에대한설명이대부분표기되어있지않는점이다르다. 대체로, 단전원용 Op Amp. 의동작전압범위가작은편이다. 따라서, 양전원용으로사용하기는어려울수있다. 사용적절성여부는 TINA 와같은 Spice 도구로확인하면좋겠다. 본절에서는지금껏다뤄왔던회로를단전원조건에서먼저구동시켜보고어떤문제점이발생하는지관찰해볼것이다. 이어서, 단전원조건에서도정상동작하도록회로를수정하는원리와방법을설명하겠다. 이번에서 TLC2274 Op Amp. 가수고해줬다. 회로해석에앞서, TLC2274 가단전원조건에서도잘동작할런지점검해보자. 제품설명서 (Datasheet) 를꼼꼼히살펴보아야한다. 살펴보자. 제품설명서선두에이런말이나와있다. tms320.co.kr/mcublog.co.kr 페이지 1

그림 4-8-1. TLC2274 의특징 그림 4-8-1 에서상자쳐놓은부분을유심히보자.

2 그림 TLC2274 의특징 그림 에서상자쳐놓은부분을유심히보자. 단전원이든, 양전원 (Split-Supply) 이든 모든성능이완전히밝혀져있다고한다. 그러니, 안심하고쓰자. 그렇다면, 다음의 회로가단전원조건에서도잘동작하도록손좀써보자. T 2 a C1 150p 1 R1 10k R2 100k Gain (db) -1-2 Vin - IOP1 Vout Phase [deg] k 10k 100k 1M Frequency (Hz) 그림 양전원에서동작하는능동 1 차저역통과필터 tms320.co.kr/mcublog.co.kr 페이지 2

3 그림 회로의주파수응답이우측에놓여있다. 대역폭이대략 10KHz 정도로측정된다. 이응답을구한조건은이상적인 Op Amp. 에 무한대전압과 무한대전압을공급한다는것인데참이상적이다. 이회로를 TLC2274 를이용하여실제로꾸며보자. 먼저 /-5V 전원, 즉양전원을공급한후주파수응답을구해보자. C1 150p T 2 a R1 10k R2 100k 1 V- Gain (db) U1 Vin - Vout TLC2274 V V V- V1 5 V2 5 Phase [deg] k 10k 100k 1M Frequency (Hz) 그림 양전원하에서 TLC2274 로구현한 1 차저역통과필터 그림 은 TLC2274 를적용한후 /-5V 를공급한회로와주파수응답을보여주고있다. 통과대역까지의주파수응답은그림 와거의동일하다. 차단주파수이후영역을보면, 위상응답에서차이를보인다. 이상적인 Op Amp. 는 90 도에서멈추는데반해, TLC2274 는 50 도밑으로뚫고갈기세다. 증폭기를실제로설계하다보면대역폭확장을위해보상용커패시터를탑재하게되는데이것의영향이다. 하지만관심 영역에서는이상적인 Op Amp 와거의동일한응답을보이기에문제없는설계와 tms320.co.kr/mcublog.co.kr 페이지 3

4 구현이라고할수있겠다. 일단, 관심대역에서는위상응답도거의동일하다. 즉, 양전원 조건에서잘동작한다. 다만, 출력이포화되지않도록주의만하면된다. 명심해야할 것이 Op Amp. 의출력전압의진동범위는동작용전원전압보다늘작거나같다. 그림 회로를다음과같이구동시켜보자. -5V 대신에 0V 를인가하고, 주파수 응답과실제출력파형을한번찍어보자. 그림 에서 V2 를 0V 로바꾸고실험한 결과다. T 1 Gain (db) Phase [deg] k 10k 100k 1M Frequency (Hz) 그림 그림 회로에서 V2 를 0V 로바꾸고얻은주파수응답 그림 의그래프생김새를얼핏봐서는음저역통과필터가맞군! 하고넘어갈수도 있다. 하지만, 원하는규격이맞는지꼼꼼히점검해야한다. 먼저통과대역의이득은 tms320.co.kr/mcublog.co.kr 페이지 4

5 얼마인가? 측정해보니 2.21dB 에불과하다. 원하는바는 10 배다. 즉 20dB 에훨씬못 미친다. -3dB 주파수는 22.87KHz 로역시요구하는바가아니다. 오실로스코프로도 입출력을관찰해보자. 입력으로 0.1Vp, 1KHz 정현파를사용했다. 출력으로는 1Vp, 1KHz 정현파가나와야한다. 그림 TLC2274 에단전원을인가하고소코프로관찰한입출력 그림 를보면단전원의영향을출력에서고스란히관측할수있다. 그림에서, 하반구가잘려진파형이출력이다. 왜? Op Amp. 의 V- 핀에 -5V 가아닌 0V 가공급되고있기때문이다. 그런데, 정확히 0V 에서잘린것은아니다. 0.2V 부근에서잘린이유는앞서 RRIO 편에서설명한내용을상기해주시기바란다. 지금우리는그림 회로를 5V 단전원조건에서제대로동작시키려고하고있다. 출력신호가충분히진동할려면, 출력신호는 0-5V 의중앙인 2.5V 를기준으로진동하는것이바람직하겠다. 즉, 양전원시스템의출력이, 단전원시스템에서는 2.5V DC offset 를 tms320.co.kr/mcublog.co.kr 페이지 5

6 가져야하는것이다. 다시말해, 단전원시스템의출력에는 2.5V DC 가더해져있으면된다는것인데, 출력에다가더할수는없는노릇이다. 신호를더할려면연산증폭기가필요한데지금우리가사용하는것이연산증폭기아닌가? 따라서, 신호원이없는상태에서입력에적절한 DC 전압을가해서출력이 2.5V 가되도록해야한다. 물론, 이득도조정해야한다. 왜냐면, /-5V 가공급되는경우와, 5V/0V 가공급되는경우를비교해보라. 출력신호폭이반으로줄어들지않는가. 하지만, 지금실험에서는입력의진폭이 100mVp 이니 10 배증폭해도 1Vp 에불과하는이득을조정할필요는없겠다. 자, 신호원을없앤후 ( Short 시킨후 ), 적절한 DC 전압을적절한 Op Amp. 입력단에 가햐여출력전압을 2.5V 로만들어보자. 연산증폭기이다보니, 중첩의원리를 이용하면되겠군! 하는생각을떠올려야한다. 그림 회로를 DC 에서 동작시켜보자. DC 에서커패시터의임피던스는무한대이다. 그렇다면, 그림 회로는 다음과같이바뀐다. R1 10k R2 100k V- 2 3 V V V- Vout U1 TLC2274 V1 5 V2 0 그림 그림 회로의 DC 등가회로 tms320.co.kr/mcublog.co.kr 페이지 6

7 그림 회로를가만히보니, Op Amp. 의 입력단이비워져있다. 옳지! 여기다 DC 전압을가해서출력전압이 2.5V 가되도록만들어보자. 얼마를가해야할까? 이전압을 Vx 라하고, 입출력관계를구해보자.. 흔히보는비반전증폭기이기에 Vout 는다음과같다. V = 1 R2 R1 V 가된다. 이정도관계식은바로구할수있어야된다. 잘안되시는독자분들은낙담하지마시라. 실망감이들려고할때마다연습을거듭하시면금새해결될것이다. Vout 이 2.5V 가되기위해서는 V 는 (=2.5/11)V 로설정하면된다. 이전압은어떻게만드는가? 5V 를저항으로분압하여해당전압을만들면된다. 그림 을보자. R1 10k R2 100k V- V R3 R4 2 3 V V V- Vout U1 TLC2274 V1 5 V2 0 그림 DC offset 을인가한회로 tms320.co.kr/mcublog.co.kr 페이지 7

8 그림 회로에서 R3 와 R4 를쉽게정하는방법은다들잘하시겠지만, 간혹어렵게 푸는분들이계셔서간단한방법을소개하고넘어가겠다. 분수를그대로이용하는 방법이다. 다음수식을보자. R4 R3 R4 V = R2 = R R4 R3 R4 = = 1 22 R4 를 1K 옴으로정하면, R3 는 21K 옴이된다. C1 (150pF) 를연결한후, 주파수응답과 출력신호를관찰해보자. T 2 1 Gain (db) Phase [deg] k 10k 100k 1M Frequency (Hz) 그림 단전원에서동작중인필터의응답 tms320.co.kr/mcublog.co.kr 페이지 8

9 그림 좌측그래프는주파수응답으로그림 와거의동일하게보인다. 혹시나싶어, 주요지표를점검해보니, 통과대역이득은 20dB 이고, -3dB 주파수는 10.13KHz 로원하는바와일치한다. 우측그래프는오실로스코프화면으로아래쪽그래프, 즉, 0V 기준으로진동하는신호가입력이다. 스케일은 100mv/div, 200usec/div 이다. 이것위에서진동하는신호는출력으로시간축스케일은동일하고, Y 축스케일은 1V/div 이다. 오실로스코프로는정확한값을읽어내기가어렵기에, 그래프로출력하여중앙점을측정하니정확히 DC 2.5V 다. 따라서, 원하는바를모두만족했다. 어떤가, 정황하게설명해서그렇지내용은그렇게복잡하지는않다. 그래서, 교과서류에서는생략하고있는지모르겠다. 이번에는조금더복잡한회로에도전해보자. 차분증폭기를단전원조건에서정상동작시켜보자. 먼저이상적인 Op Amp. 로꾸민차분증폭기를이용하여다음수식을계산해보자. f(x) = 10(0.1cos2π1000t 0.1sin2π1000t) 먼저, 이득이 10 배인차분증폭기가필요하겠다. 입력단에는 0.1cos2π1000t 를 인가해야하겠고, - 입력단에는 0.1sin2π1000t 를 10 배증폭하는차분증폭기에 인가해주면, 결과값이출력될것이다. 이런연유로연산증폭기라는말도생기게된 것이고, 아날로그컴퓨터의핵심소자로 Op Amp. 가사용된것이다. 일단, TINA 로 해석해보자. 그림 가위수식을연산한차분증폭기회로이다. tms320.co.kr/mcublog.co.kr 페이지 9

10 Vi1 R1 1k R2 10k V1 - IOP1 Vo Vi2 R3 1k R4 10k V2 그림 이득이 10 배인차분증폭기 그림 회로의출력을스코프로관찰해보았다. 보다명확한구분을위하여, 스코프의 화면을 export curves 명령을통하여자세한분석을해보았다. 그림 을보자. T Axis label u 1.00m 1.50m 2.00m 그림 그림 회로의입출력신호 tms320.co.kr/mcublog.co.kr 페이지 10

11 그림 에서 x 표를한그래프가 입력단에인가된 0.1cos2π1000t 신호다. o 표를 한그래프가 입력단에인가된 0.1sin2π1000t 신호이며, 아무런표식없이가장크게 진동하는신호가출력이다. 수식을계산하면, f(x) = 10(0.1cos2π1000t 0.1sin2π1000t) = 10 2 sin π πt 와같다. 즉, 큰신호의수식이다. 그래프를보아하니얼추맞아떨어지는듯해서, 실제로측정해보니정확히맞아떨어진다. 직접 TINA 로해보시기바란다. 이래서 연산증폭기연산증폭기한다. 이제이회로를 TLC2274 Op Amp 로구현하되, 단전원에서도제대로동작하도록해보자. 그림 과같이구현할수있겠다. Vi1 R1 1k R2 10k V- V1 2 3 V V V- Vo U1 TLC2274 V3 5 V4 0 Vi2 V2 R3 1k R4 10k 그림 단전원에서구현한그림 회로의차분증폭기 tms320.co.kr/mcublog.co.kr 페이지 11

12 그림 에서보듯이, Op Amp. 의 V- 전원단에 0V 가공급되고있다. 어떤현상이벌어질까? 결과를보기전에먼저예측을해보시기바란다. Op Amp. 의 전원단에 0V 가공급된다면 Op Amp. 의출력하한선은 0V 이며, 내부전원회로때문에ㅡ하지만 RR) 방식을채택한 TLC2274 이기에 0.1V 부근이출력하한이되겠구나하는예측을할수있어야한다. 출력을그래프로관찰해보자. T Axis label u 1.00m 1.50m 2.00m 그림 그림 회로의출력 예상과잘맞아떨어졌는가? 이런결과도유용하게쓰이는곳은있다. Envelope Detector( 포락선검출 ) 이라던지, Half Wave Rectifier 와같은용도로쓰일수는있다. 하지만, 지금우리는온전한파형을원한다. 그림 의그래프로볼때, 출력이 2.5V tms320.co.kr/mcublog.co.kr 페이지 12

13 Offset 을가진다면하반구출력도제대로나올법하다라는기대를해볼수있겠다. 그렇다. 출력에 DC Offset 2.5V 가더해지도록적절한입력을이번에도가해주어야한다. 우리가가용할수있는 DC 전압은양의부호를가지는것밖에없기에 입력단에적절한 DC 전압을가해줘야한다. 그런데지금현재사용가능한 DC 전원은 0V 아니면 5V 이다. 따라서, 5V 를적절히분압해서공급해야하겠다. 중첩의원리가적용된다라는점을상기해주시기바란다. Vi1 R1 1k R2 10k V- V1 2 3 V V V- Vo U1 TLC2274 V3 5 V4 0 Vi2 Vp V2 R3 1k Rx R4 10k Vcc 5 그림 DC Offset 생성회로가추가된차분증폭기 그림 회로에서 Rx 를정해야한다. 이용가능한전원인 Vcc 5V 를 Rx 와 (R3 R4) 로적절히분압하여요구전압을만들어내야한다. ( 중첩의원리를적용할 tms320.co.kr/mcublog.co.kr 페이지 13

14 것이니, V1 과 V2 영향을배제해야한다는점을주의해주시기바란다 ). 출력신호에 DC 2.5V 를만들어낼려면 Vp 는얼마여야하는가? 비반전증폭기다. 2.5 = 1 R2 R1 V 위수식에의해 V = V = 2.5/11V 이다. 이전압을 Vcc 5V 와 Rx 와 (R3 R4) 로 만들어내야한다. (R3 R4) 5 R (R3 R4) = V 계산하면, Rx 는약 20K 옴이나온다. 신호가제대로나오는지 TINA 로검증해보자. T Axis label m 5.00m 7.50m 1m 그림 단전원조건에서정상동작하는차분증폭기출력 tms320.co.kr/mcublog.co.kr 페이지 14

15 보시다시피미끈한것이아주좋아보인다. 일일이측정해보니잘맞아떨어진다. 다만, Rx 값이 210K/11 옴이어서구하기어려운값이라는점이조금걸린다. 중앙값이 2.5V 에서약간벗어나겠다. Op Amp. 가두개이상쓰여도해결방법은동일하다. 하나씩하나씩풀어나가보면어느새 해결점에도달해있을테니, 지레겁먹지말고, 게다가, 우리에게는 TINA 라는훌륭한 도구가있지아니한가? 조금만인내하면충분히해결할수있다. * 본게시글은출판예정인가칭 'ADC 를위한아날로그필터설계 ' 서적의일부를선공 개하는것입니다. 저작권은주식회사싱크웍스에있습니다. 다음편은 4 장의끝으로 4.9. FDA(Fully Differential Op Amp.) 입니다. 4 장목차 4.1 Op Amp. 실제부품의이해와핀설명 4.2 전원공급과전류흐름 tms320.co.kr/mcublog.co.kr 페이지 15

16 4.3 RRIO(Rail to Rail Input Output) 4.4 CMRR 과 PSRR 4.5 Loading Effect 4.6 Instrumentation Op Amp. 4.7 Op Amp. 의 Sense 핀과 Ref. 핀의사용법 4.8 단전원시스템에서 Op Amp. 사용하기 4.9. FDA(Fully Differential Op Amp.) tms320.co.kr/mcublog.co.kr 페이지 16

(b) 미분기 (c) 적분기 그림 6.1. 연산증폭기연산응용회로

Lab. 1. I-V Characteristics of a Diode Lab. 6. 연산증폭기가산기, 미분기, 적분기회로 1. 실험목표 연산증폭기를이용한가산기, 미분기및적분기회로를구성, 측정및 평가해서연산증폭기연산응용회로를이해 2. 실험회로 A. 연산증폭기연산응용회로 (a) 가산기 (b) 미분기 (c) 적분기 그림 6.1. 연산증폭기연산응용회로 3. 실험장비및부품리스트