Transcript Chapter. 18
Chapter. 18
Operational Amplifiers
2015-04-08
Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr)
1
18-1 Introduction
Vin
DIFF
AMP
More
Stages
of Gain
B급
Vout
P.P(EF)
+Vcc
V1
+
V2
-VEE
2015-04-08
Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr)
2
18-1 Introduction
741C
2015-04-08
High input Impedance
2㏁
Low output Impedance
75Ω
High Gain
10万
CMRR
90dB
Unit-gain freq. (funit)
1㎒
Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr)
3
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.
2015-04-08
Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr)
4
18-2 741 OP Amp.
2015-04-08
Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr)
5
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)
2015-04-08
Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr)
6
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.
2015-04-08
Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr)
7
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
2015-04-08
Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr)
8
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
2015-04-08
(load Resistance RL=10㏀)
(RL=10㏀)
±13.5V
Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr)
9
18-2 741 OP Amp.
☆ 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 )
2015-04-08
Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr)
10
18-2 741 OP Amp.
☆ Frequency Response 741C
LM318 funit 15㎒
2015-04-08
Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr)
11
18-2 741 OP Amp.
☆ Slew rate
Ex)
i C
dV
dt
Vout
Slope
dV
i
dt C
dV out IMAX
dt
C
2015-04-08
Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr)
IMAX
CC
t
12
18-2 741 OP Amp.
☆ Slew rate
IMAX
SR
CC
- OP Amp. 에서는
OP Amp. 에서는 이것보다
Max. 일 수는 없다.
SR
IT
15A 0.5V
(741C)
sec
CC 30 pF
入力 성분의 정현파 기울기가 SR보다 작아야 한다.
2015-04-08
SR SS
Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr)
13
18-2 741 OP Amp.
Ex)
fmax ; power bandwidth (전력대역폭)(large-signal bandwidth)
V VP sin wt
dV
wVP cos wt
dt
SS 2fVP ; S
slope
2015-04-08
∴ 왜곡이 발생하지 않는 최대주파수
S R SS 2fVP
에서
SR
f max
2VP
Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr)
14
18-2 741 OP Amp.
VP 10V
Ex)
S R 0.5V
0.5V
f
max
sec
2 (10)
sec
7.96㎑
trade-off (상호조정)
: 출력전압을 감소시키거나
2015-04-08
S R을 증가(좋은 OP Amp.)
Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr)
15
18-3 The Inverting Amp.
※ Inverting Negative feedback
Negative feedback 의 특징
• 이득의 안정화
• 입출력 Imp. 개선
• 비선형 왜곡 감소
• 주파수 대역폭 증가
2015-04-08
Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr)
16
18-3 The Inverting Amp.
R2
iin
iin
+
V2
-
R1
Vin
Vitual
ground
2015-04-08
Verror
Vout
+
Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr)
17
18-3 The Inverting Amp.
① ACL
Vin
iin
R1
Vout R 2iin
R2
Vout Vin
R1
Vout
R2
ACL
Vin
R1
2015-04-08
Vout AV error
B
R1
R2
Vout A(Vin BVout )
(1 AB)Vout AVin
Vout
A
Vin 1 AB
1
B
Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr)
18
18-3 The Inverting Amp.
① Input Imp.
Zin(CL ) R1
② bandwidth for 741C
f2(OL)=10㎐
2015-04-08
Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr)
19
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
2015-04-08
Amid
f
1 Amid B j
f2
ACL
Amid
1 Amid B
Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr)
20
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
2015-04-08
‥‥ ②
Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr)
21
②식 양변에 ①식을 곱하면
1105
10㎐
ACL f 2(CL ) Amid f 2
funity
2015-04-08
Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr)
22
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
2015-04-08
※ Verror(out) 가 원인
(output offset voltage의 원인)
input offset voltage
input offset current
input bias current
Vout ( off )
VOO ( CL )
1 AB
Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr)
23
V 1error ( RB1 RB 2) Iin(bias )
V 2 error
Iin( off )
( RB1 RB 2)
2
V 3error Vin( off )
2015-04-08
Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr)
24
18-4 The Noninverting Amp.
V1
Vin
Vitual
short
+
Verror
V2
-
rin
≈∞
Vout
R2
R1
2015-04-08
Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr)
25
18-4 The Noninverting Amp.
Vout AV error
A(V 1 V 2)
R1
V2
Vout
R1 R 2
V 2 B Vout
2015-04-08
rin
R1
B
R1 R 2
B
R2
R1
( R1 // rin)
R 2 ( R1 // rin)
R1
R1 R 2
Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr)
26
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
2015-04-08
Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr)
27
※ 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
2015-04-08
Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr)
28
18-4 The Noninverting Amp.
※ input Imp.
iin
+
+
Vin
rout(CL)
rin
Verror
-
-
Vout
rout
AVerror
R1
RL
+
BVout
R2
-
2015-04-08
Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr)
29
Vin BVout Verror
Vin Verror BVout
Verror ABVerror
(1 AB)Verror
Verror iin rin
2015-04-08
Vin (1 AB)iin rin
Vin
(1 AB ) rin
iin
rin(CL ) (1 AB)rin
Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr)
배
30
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
2015-04-08
Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr)
31
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 )
2015-04-08
rout
1 AB
Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr)
32
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
2015-04-08
감소
Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr)
33
18-5 Two Op-Amp. Applications
① The Summing Amp. (합산기)
V1
V2
R1
i1
RF
R2
Vout
i1+i2
i2
-
+
2015-04-08
Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr)
34
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
2015-04-08
Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr)
35
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
2015-04-08
f 2(CL ) funity
Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr)
36
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
2015-04-08
Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr)
37
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 =
2015-04-08
Vin( off )
(power supply rejection ratio)
VS
Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr)
38
☆ 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 』
2015-04-08
Mobile Communication Lab. (http://mobile pknu.ac.kr)
39