Transcript Chapter. 18

Chapter. 18
Operational Amplifiers
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18-1 Introduction
Vin
DIFF
AMP
More
Stages
of Gain
B급
Vout
P.P(EF)
+Vcc
V1
+
V2
-VEE
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18-1 Introduction
741C
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High input Impedance
2㏁
Low output Impedance
75Ω
High Gain
10万
CMRR
90dB
Unit-gain freq. (funit)
1㎒
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18-1 Introduction
용도
① Audio Amp.
preAmp. : 出 50㎽ 이하 가청주파증폭기
medium-level Amp. : 出力 50~500㎽
power Amp. : 500㎽ 이상
② Video Amp.
LMH03
Oscilloscope : 0~10㎒
TV : 0~4㎒
RF, IF Amp.
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18-2 741 OP Amp.
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18-2 741 OP Amp.
☆ Freq. Compensation : Cc
Cin  ( A  1)Cc
A : Q5, Q6 의 Gain
※ open loop OP-Amp.
 first-order response
Cc  Oscillation 방지
보상용 Capacitor
위상지연 회로 구성
(20㏈/dec or 6㏈/oct)
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18-2 741 OP Amp.
☆ Bias and offsets
◎ Input bias cuurrent (80㎁)
Input offset current (20㎁)
 Output error  무시가능
◎ equal base resistor 사용 output error 감소 가능
○ input bias current (80㎁)
 같은 RB 저항으로 제거
○ input offset current (20㎁)
 input offset voltage 2㎷로 제거
 또는 10㏀ 의 potentiometer(전위차계,
분압기)로 Input signal이 zero가 되게
하여 output voltage를 zero로 하게 한다.
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18-2 741 OP Amp.
☆ CMRR
741C  90㏈
- ordinary signal 이 Common-mode signal
보다 30,000배 커야 한다는 의미
log3≒0.48
20log3≒9.6
20log(3×10⁴) ≒89.6 ≒90
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18-2 741 OP Amp.
☆ Maximum peak-to-peak output
-Output voltage can swing almost to the supply voltages.
Vcc=+15V VEE=-15V
Mpp=30V
실제  27V
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(load Resistance RL=10㏀)
(RL=10㏀)
±13.5V
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☆ Short-Circuit current
 Short-circuit output current
: 25㎃
(RL≈0)
(Maximum output current)
 RL < 75 Ω 보다 적으면 큰 출력 전압을 얻을 수 없다.
( ∵ 25㎃×RL ≥ output voltages )
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☆ Frequency Response 741C
LM318  funit 15㎒
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18-2 741 OP Amp.
☆ Slew rate
Ex)
i C
dV
dt
Vout
Slope 
dV
i

dt C
dV out IMAX

dt
C
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IMAX
CC
t
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18-2 741 OP Amp.
☆ Slew rate
IMAX
SR 
CC
- OP Amp. 에서는
OP Amp. 에서는 이것보다
Max. 일 수는 없다.
SR 
IT
15A 0.5V


(741C)

sec
CC 30 pF
入力 성분의 정현파 기울기가 SR보다 작아야 한다.
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SR  SS
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18-2 741 OP Amp.
Ex)
fmax ; power bandwidth (전력대역폭)(large-signal bandwidth)
V  VP sin wt
dV
 wVP cos wt
dt
SS  2fVP ; S
slope
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∴ 왜곡이 발생하지 않는 최대주파수
S R  SS  2fVP
에서
SR
f max 
2VP
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VP  10V
Ex)
S R  0.5V
0.5V
f
max

 sec
2 (10)
 sec
 7.96㎑
trade-off (상호조정)
: 출력전압을 감소시키거나
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S R을 증가(좋은 OP Amp.)
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18-3 The Inverting Amp.
※ Inverting Negative feedback
Negative feedback 의 특징
• 이득의 안정화
• 입출력 Imp. 개선
• 비선형 왜곡 감소
• 주파수 대역폭 증가
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18-3 The Inverting Amp.
R2
iin
iin
+
V2
-
R1
Vin
Vitual
ground
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Verror
Vout
+
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18-3 The Inverting Amp.
① ACL
Vin
iin 
R1
Vout   R 2iin
R2
Vout   Vin
R1
Vout
R2
ACL 

Vin
R1
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Vout  AV error
B
R1
R2
Vout  A(Vin  BVout )
(1  AB)Vout  AVin

Vout
A

Vin 1  AB
1

B
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18-3 The Inverting Amp.
① Input Imp.
Zin(CL )  R1
② bandwidth for 741C
f2(OL)=10㎐
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18-3 The Inverting Amp.
A
※
Amid
f
1 j
f2
A 
Amid
 f 

1  
 f 2
2
A
1
ACL 

1  AB B
 ACL 
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Amid
f
1  Amid  B  j
f2
ACL
Amid

1  Amid  B
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ACL 
f 2(CL )
Amid
f
1  Amid  B  j
f2
f
 1  Amid  B
f2
=
 f 2(CL )  (1  Amid  B) f 2
‥‥ ①
(1+AB)배 만큼 증가
Amid
ACL 
1  Amid  B
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‥‥ ②
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②식 양변에 ①식을 곱하면
1105
10㎐
ACL  f 2(CL )  Amid  f 2
 funity
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18-3 The Inverting Amp.
③ Bias and Offsets
Verror  AOL (V 1err  V 2err  V 3err )

Vout  A  Verror  Vdist
 A  (Vin  BVout )  Vdist
A
Vdist
Vout 
Vin 
1  AB
1  AB
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※ Verror(out) 가 원인
(output offset voltage의 원인)
input offset voltage
input offset current
input bias current
Vout ( off )
VOO ( CL ) 
1  AB
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V 1error  ( RB1  RB 2) Iin(bias )
V 2 error
Iin( off )
 ( RB1  RB 2)
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V 3error  Vin( off )
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18-4 The Noninverting Amp.
V1
Vin
Vitual
short
+
Verror
V2
-
rin
≈∞
Vout
R2
R1
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18-4 The Noninverting Amp.
Vout  AV error
 A(V 1  V 2)
R1
V2 
Vout
R1  R 2
V 2  B Vout
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rin
R1
B
R1  R 2
B
R2
R1
( R1 // rin)
R 2  ( R1 // rin)
R1

R1  R 2
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Vout  A(Vin  BVout )
(1  AB)Vout  AVin
Vout
A
1


Vin 1  AB B
( AB  1)
R 2 R1  R 2
 ACL  1 

R1
R1
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※ 간단한 암기 방법
Vout  A(V 1  V 2)
Vout
V 1 V 2 
0
A
V 1  V 2
Vin  BVout
Vout
1

Vin
B
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18-4 The Noninverting Amp.
※ input Imp.
iin
+
+
Vin
rout(CL)
rin
Verror
-
-
Vout
rout
AVerror
R1
RL
+
BVout
R2
-
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Vin  BVout  Verror
Vin  Verror  BVout
 Verror  ABVerror
 (1  AB)Verror
Verror  iin  rin
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Vin  (1  AB)iin  rin
Vin
 (1  AB ) rin
iin
 rin(CL )  (1  AB)rin
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배
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18-4 The Noninverting Amp.
※ 出力 Imp.
RL 감소  출력 전류 大  rout 의 큰 전압강하  출력 감소
귀환 량의 감소  Verror 증가  rout 에 걸리는 부가적인 전
압 강하를 거의 offset 하는 테브난 전압을 크게 발생 (AVerror)
 출력 임피던스 감소
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rout
rout ( CL ) 
1  AB
AVerr  rout  iout  Vout
A(Vin  BVout )  rout  iout  Vout
rout  iout  (1  AB)Vout
Vout
rout

iout
1  AB
 rout ( CL )
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rout

1  AB
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18-4 The Noninverting Amp.
일정
※
funity
f 2(CL ) 
ACL
A(CL )  f 2(CL )  funity  Amid  f 2
 1㎒
둔화
※ output offset voltage
Vout  AVerror  Vout (off )
 A(Vin  BVout )  Vout (off )
A
Vout ( off )
Vout ( CL ) 
Vin 
1  AB
1  AB
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감소
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18-5 Two Op-Amp. Applications
① The Summing Amp. (합산기)
V1
V2
R1
i1
RF
R2
Vout
i1+i2
i2
-
+
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Vout  (i1  i 2) RF
V1
i1 
R1
V2
i2 
R2
if  R1  R2  RF  R
Vout  V 1  V 2
RF
RF
Vout 
V1 V 2
R1
R2
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18-5 Two Op-Amp. Applications
① Voltage follower
+
+
Vin
-
Vout

Vin
-
Vout
R2 =0
R1=∞
1 R1  R 2
R2
 ACL  
 1
1
B
R1
R1
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f 2(CL )  funity
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18-6 Linear ICs
L F  BIFET (Biochemical FET)
※ BIFET : Si 를 기판으로 하고 금속-절연체-반도체(MIS) 전계효과형
트랜지스터의 금속을 대신하여, 생체감수성재료를 사용한
FET 이다. 아래 그림과 같이 생체감수성재료(막)에서는 감지
되는 물질에 적합한 수용물질을 매몰해서 두는 (고정화) 검지
물질이 수용체에 흡착되면 막 전위가 변화되어 소스-드레인
간에 전류가 흐른다.
수용물질(受容物質)
생체감수성막(재료)
산화막
D
S
채널
Si 기판
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18-6 Linear ICs
BIFET (LF351, ‥‥)
• maximum input offset voltage = 10 ㎷
• maximum input bias current = 0.2 ㎁
• maximum input offset current = 0.1 ㎁
• short-circuit current = 10 ㎁
• SR = 13 V/μs
• AOL = 88 ㏈
• funity = 4 ㎒
• CMRR = 70 ㏈
• PSRR =
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Vin( off )
(power supply rejection ratio)
 VS
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☆ PSRR = -76 ㏈
 76
PSRR  ant log
 0.000158
20
= 158 μV/V
전원전압이 1V 변화하면
input offset voltage 가
158μV 변화
 전원전압의 변화는 출력 오차전압 발생

출력오차전압
= input offset voltage
폐루프전압이득( ACL )
☆ drift = 10 μV/℃
『 1℃ 상승시 10㎶ 의 input offset voltage 증가 』
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