Lab. 1. I-V Characteristics of a Diode Lab. 1. 연산증폭기특성실험 1. 실험목표 연산증폭기의전압이득 (Gain), 입력저항, 출력저항, 대역폭 (Bandwidth), 오프셋전압 (Offset Voltage), 공통모드제거비 (Common-mode Rejection Ratio; CMRR) 및슬루율 (Slew Rate) 등의기본적인성능파라미터에대해서실험을통해서이해 2. 실험회로 - 연산증폭기성능파라미터측정회로 (a) 연산증폭기입력오프셋전압측정회로
(b) 연산증폭기슬루율측정회로 (c) 연산증폭기공통모드제거비측정회로 그림 1.1. 연산증폭기성능파라미터측정회로
3. 실험장비및부품리스트 A. 공통 NI ELVIS II MultiSim ( 혹은 SPICE와같은회로시뮬레이터 ) PC : NI MultiSim과 ELVIS II 용도 B. BJT 공통이미터증폭기회로실험 OP-AMP LM741CN: 1개저항 : 100W 2개, 10 kw 2개, 100kW 2개 4. Pre-Lab( 예비실험 ) A. 기본이론조사 (1) 연산증폭기이상적인특성과실질적인특성에대해서설명하시오. - 참고서 (Floyd 저 ): 604 페이지 (2) 연산증폭기의개방이득 (Open Voltage Gain) 에대해서설명하시오. - 참고서 (Floyd 저 ): 607 페이지 (3) 연산증폭기의입력바이어스전류에대해서설명하시오. - 참고서 (Floyd 저 ): 608 페이지 (4) 연산증폭기의입력오프셋 (Input Offset) 전압에대해서설명하시오. - 참고서 (Floyd 저 ): 608 페이지 (5) 연산증폭기의입력오프셋전압보상회로에대해서설명하시오. - 참고서 (Floyd 저 ): 626 페이지 (6) 연산증폭기의공통모드제거비 (Common-Mode Rejection Ratio; CMRR) 에대해서설명하시오.
- 참고서 (Floyd 저 ): 607 페이지 (7) 연산증폭기의슬루율 (Slew Rate) 에대해서설명하시오. - 참고서 (Floyd 저 ): 610 페이지 B. MultiSim 사용한모의실험 ( 시뮬레이션 ) (1) 연산증폭기의입력바이어스전류측정연산증폭기입력바이어스측정회로 ( 그림 2.2) 에서멀티미터측정결과인비반전입력전압 (V 3 ) 과반전입력전압 (V 2 ) 을측정해서표 2.1에작성하시오. 그림 2.2. 연산증폭기입력바이어스측정회로 표 2.1. 연산증폭기입력바이어스측정회로의비반전과반전입력전압 (V 3, V 2 ) 측정결과
시뮬레이션값 비반전입력전압 V 3 반전입력전압 V 2 (2) 연산증폭기의출력과입력오프셋전압측정 연산증폭기출력과입력오프셋전압측정회로 ( 그림 2.3) 에서멀티미터측정 결과인출력전압 (V 6 ) 을측정해서표 2.2 에작성하시오. 그림 2.3. 연산증폭기출력오프셋전압측정회로 표 2.2. 연산증폭기출력과입력오프셋전압측정회로의출력전압 (V 6 ) 측정결과 출력전압 V out = V 6 입력오프셋전압 V IO = V out /A cl 시뮬레이션값단, A cl = R f /R 2 = 1000으로설정해서입력오프셋전압을계산하시오. - 표 2.2에측정한입력오프셋전압을 LM741CN 데이터시트에제시된입력오프셋전압과비교하시오.
(3) 연산증폭기의입력오프셋보상회로연산증폭기입력오프셋보상회로 ( 그림 2.4) 에서가변저항 R v 를변화시키면서멀티미터로출력전압 (V 6 ) 을측정할때 V 6 = 0V일때에멀티미터로다음저항값을측정하시오. - 저항 R 14 =? - 저항 R 45 =? 단, MultiSim 시뮬레이션에서는가변저항이변해도출력전압이 0V가안될수도있으므로그런경우에는시뮬레이션이안된다고적고그이유를생각해서적어보세요. 그림 2.4. 연산증폭기입력오프셋보상회로 (4) 연산증폭기의슬루율측정 연산증폭기슬루율측정회로 ( 그림 2.5) 에서오실로스코프로출력전압 (V 6 ) 을
측정해서표 2.2 에작성하시오. 그림 2.5. 연산증폭기슬루율측정회로. - XFG1 은함수발생기이고다음과같이설정 : 사각파 ( ), Frequency 10kHz, Duty Cycle 50%, Amplitude 0.5Vp, Offset 0V - XSC1 은오실로스코프이고이것을이용해서출력전압 (V 6 ) 을관찰하고커서를 이용해서그림 2.6 과같이 DV 와 DT 를측정하고슬루율 S = DV/DT 를계산하시오. 그림 2.6. 오실로스코프를이용해서연산증폭기슬루율측정을위한 DV 와 DT 측정방법 ( 예 : DT = T2-T1 = 8.333 μs, DV = 2.003 V, S = DV/DT=0.24 V/μs )
표 2.3. 연산증폭기출력오프셋전압측정회로의출력전압 (V 6 ) 측정결과 시뮬레이션값 DV DT 슬루율 S - 표 2.3 에측정한슬루율을 LM741CN 데이터시트에제시된슬루율과비교하시오. (5) 연산증폭기의공통모드제거비측정 연산증폭기공통모드제거비측정회로 ( 그림 2.7) 에서오실로스코프로출력 전압 (V 6 ) 을측정해서표 2.2 에작성하시오. 그림 2.7. 연산증폭기공통모드제거비측정회로. - XFG1 은함수발생기이고다음과같이설정 : 정현파, Frequency 60Hz, Amplitude 2.5Vp, Offset 0V
- XSC1은오실로스코프이고이것을이용해서출력전압 (V 6 ) 을측정해서공통모드전압이득 (A cm ), 차동모드전압이득 (A diff ), 공통모드제거비 (Common-Mode Rejection Ratio; CMRR) 을계산하고표 2.4을작성하시오. 표 2.4. 연산증폭기공통모드제거비측정회로의측정결과 V in [V] ( 첨두간전압 ) V out = V 6 [V] ( 첨두간전압 ) A cm =V out /V in A diff =R f /R 1 CMRR= 20log(A diff /A cm ) 시뮬레이션값 - 표 2.4에측정한공통모드제거비를 LM741CN 데이터시트에제시된공통모드제거비와비교하시오. C. 다음 5. In-Lab( 본실험 ): NI ELVIS II 사용 을참고해서실험 절차를간단히요약하시오. 5. In-Lab( 본실험 ): NI ELVIS II 사용 A. DMM 이용한소자값측정 - 부록 A.1 DMM을이용한전압, 전류, 저항, 캐패시턴스, 인덕턴스, 다이오드전압, 단락측정 을참고해서저항, 캐패시턴스를측정하시오. 표 2.5. DMM을이용한저항, 캐패시턴스측정 소자규격측정값 100 W 저항 100 W 10kW 10kW
100kW 100kW B. 연산증폭기특성파라미터측정 (1) ELVIS II를이용해서연산증폭기의입력바이어스전류측정 ELVIS II를이용해서연산증폭기입력바이어스측정회로 ( 그림 2.2) 의멀티미터측정결과인비반전입력전압 (V 3 ) 과반전입력전압 (V 2 ) 을측정해서표 2.6에작성하시오. 표 2.6. 연산증폭기입력바이어스측정회로의비반전과반전입력전압 (V 3, V 2 ) 측정결과 MultiSim 시뮬레이션값 ( 표 2.1) ELVIS 측정값 비반전입력전압 V 3 반전입력전압 V 2 (2) ELVIS II를이용해서연산증폭기의출력과입력오프셋전압측정 ELVIS II를이용해서연산증폭기출력과입력오프셋전압측정회로 ( 그림 2.3) 의멀티미터측정결과인출력전압 (V 6 ) 을측정해서표 2.7에작성하시오. 표 2.7. 연산증폭기출력과입력오프셋전압측정회로의출력전압 (V 6 ) 측정결과 출력전압 V out = V 6 입력오프셋전압 V IO = V out /A cl MultiSim 시뮬레이션값 ( 표 2.2) ELVIS 측정값단, A cl = R f /R 2 = 1000으로설정해서입력오프셋전압을계산하시오.
- 표 2.7 에측정한입력오프셋전압을 LM741CN 데이터시트에제시된입력오프셋 전압과비교하시오. (3) ELVIS II를이용해서연산증폭기의입력오프셋보상회로측정 ELVIS II를이용해서연산증폭기입력오프셋보상회로 ( 그림 2.4) 의가변저항 R v 를변화시키면서멀티미터로출력전압 (V 6 ) 을측정할때 V 6 = 0V일때에멀티미터로다음을측정하시오. - 주의사항 : V 6 = 0V인값을가진가변저항 R v 를정확히찾기어려우므로출력전압 V 6 가양에서음으로변화거나음에서변화되는그순간의값을 0V라고하자. - 저항 R 14 =? - 저항 R 45 =? (4) ELVIS II 를이용해서연산증폭기의슬루율측정 ELVIS II 를이용해서연산증폭기슬루율측정회로 ( 그림 2.5) 의 오실로스코프로측정한출력전압 (V 6 ) 을표 2.8 에작성하시오. - XFG1 은함수발생기이고다음과같이설정 : 사각파, Frequency 10kHz, Duty Cycle 50%, Amplitude 2Vpp, Offset 0V - XSC1 은오실로스코프이고이것을이용해서출력전압 (V 6 ) 을관찰하고커서를 이용해서그림 2.6 과같이 DV 와 DT 를측정하고슬루율 S = DV/DT 를계산하시오. 표 2.8. 연산증폭기출력오프셋전압측정회로의출력전압 (V 6 ) 측정결과 DV DT 슬루율 S MultiSim 시뮬레이션값 ( 표 2.3) ELVIS 측정값
- 표 2.8 에측정한슬루율을 LM741CN 데이터시트에제시된슬루율과비교하시오. (5) ELVIS II 를이용해서연산증폭기의공통모드제거비측정 ELVIS II 를이용해서연산증폭기공통모드제거비측정회로 ( 그림 2.7) 의 오실로스코프로측정한출력전압 (V 6 ) 을표 2.9 에작성하시오. - XFG1 은함수발생기이고다음과같이설정 : 정현파, Frequency 60Hz, Amplitude 10Vpp, Offset 0V - XSC1 은오실로스코프이고이것을이용해서출력전압 (V 6 ) 을측정해서공통모드 전압이득 (A cm ), 차동모드전압이득 (A diff ), 공통모드제거비 (Common-Mode Rejection Ratio; CMRR) 을계산하고표 2.9 를작성하시오. 표 2.9. 연산증폭기공통모드제거비측정회로의측정결과 V in [V] ( 첨두간전압 ) V out = V 6 [V] ( 첨두간전압 ) A cm =V out /V in A diff =R f /R 1 CMRR= 20log(A diff /A cm ) MultiSim 시뮬레이션 값 ( 표 2.4) ELVIS 측정값 - 표 2.9 에측정한공통모드제거비를 LM741CN 데이터시트에제시된공통모드 제거비와비교하시오. 6. Post-Lab( 실험후과정 ) 1. 연산증폭기특성파라미터측정회로실험을 Pre-Lab(4절 ) 에서 MultiSim으로시뮬레이션한데이터, In-Lab(5절 ) 에서 NI ELVIS II로측정한데이터와 LM741CN 데이터데이타값과비교하라. - 데이터시트값, 시뮬레이션데이터와측정데이터사이의오차를토의하시오.