설계 2. 오디오 증폭기(Audio Amplifier)

□ 목적: Speaker를 구동하기 위한 저주파 오디오 증폭기(Audio

Amplifier) 설계를 통해 Op-Amp와 전력증폭기(Power Amplifier)

회로의 기본적인 특성을 익히고 이해하여 기초적인 저주파 증폭기(Low

Frequency Amplifier)를 설계 및 제작할 수 있다.

□ 준비물

Op-Amp: LM324 (없으면 LM301 or uA741)

Compensation Capacitor: 10, 30 [pF]

Power Amplifier: LM380

Speaker: 구동전류(0.8 [A]), 내부저항( )

DC Blocking Capacitor: 50 [uF]

예비보고서(100점)

1. Op-Amp와 전력증폭기의 특성을 비교(유사성, 차이점 등) 검토하시오. (20

점)

2. Op-Amp에서 Capacitance Compensation이 필요한 이유를 증폭기의 발진(Oscillation) 관점에서 설명하시오. Capacitance Compensation으로 인해 Op-Amp 특성이 나빠지는 문제점도 설명하시오. (30점)

3. 다음 회로를 설계하시오. (50점)

주의) EMtool Design Studio로 Simulation하지 말 것

, 으로 가정 Inverting Mode로 이 되는 증폭기를 계산하여 설계하시오. (25

점) Non-Inverting Mode로 이 되는 증폭기를 계산하여

설계하시오. (25점)

결과보고서(설계 및 제작 방법: 300점)

1. EMtool Design Studio를 활용하여 전압 이득(voltage gain)이 30 dB(=

전압 비율 31.6배)인 Op-Amp를 설계한다. (80점)

Inverting Mode와 Non-Inverting Mode를 모두 설계한다. (40점) 설계시 , 으로 가정한다.

, , 의 전압을 인가한다.

Simulation S/W: EMtool Design Studio를 이용 설계시 고려요소: 최대 출력 전류, 부하 효과(loading effect)

Op-amp가 최대로 낼 수 있는 출력 전류(maximum output current)는 얼마인가 확인하라. 이를 구하기 위해 이라 둔다. (10점)

설계 결과물의 부하 조건( )에 따른 전압 이득 특성을 관찰하시오. 예를 들어 라고 가정한다. (20점)

Inverting Mode와 Non-Inverting Mode 중 하나를 택해 이전에 설계한 20 dB Attenuator를 입력에 달고 Op-Amp의 이득 특성을 출력 전압 관점에서 관찰한다. (10점)

2. 설계한 Op-Amp를 직접 제작한다. (220점)

최대 출력 전류와 부하 효과를 고려하여 Inverting Mode와 Non-

Inverting Mode 중 하나를 선택하여 Op-Amp를 제작한다. Inverting

Mode와 Non-Inverting Mode 중 하나를 특성이 좋다고 판단한 기준은 무엇인가? (10점)

Op-Amp가 포화될 경우 이전에 설계한 20 dB Attenuator를 Op-Amp

의 입력에 달아 입력을 줄여준다. Op-Amp의 은 제거하여 부하를 개방으로 만든다. 이때 증폭기 성능을

출력 전압 관점으로 검증한다. 입력 전압을 증가시켰을 때 출력전압이 Bias까지 포화되는 특성이 나타나면 증폭기는 정상 동작하고 있다. (20

점)

부하가 개방인 경우 Op-Amp의 전압 이득을 측정한다. 전압 이득은 반드시 30dB보다 커야 한다. (10점)

부하에 을 단 경우 전압 이득을 측정한다. 인 경우

부하의 출력 전압은 정상적으로 관측되는가? (20점)

Op-Amp의 최대 출력 전류( )를 측정하라. 이라 두면 이 값을 측정할 수 있다. 혹은 일 경우 출력 전압( )이 포화되었다면

관계를 이용해 최대 출력 전류를 구할 수 있다. (10점)

Capacitance Compensation이 필요한 Op-Amp라면 Datasheet에 주어진 대로 Capacitor를 연결하라. Capacitor가 필요 없는 경우도 있으니 Datasheet을 잘 봐야 한다.

Op-Amp가 구동될 수 있는 최대 주파수(maximum operating

frequency)를 구하고 주파수 응답(frequency response)을 전압 이득 관점에서 관찰하라. 최대 주파수는 증폭기의 고주파 차단 주파수와 동일하다. 차단 주파수는 정상 전압 이득에서 3dB만큼 전압 이득이 떨어지는 주파수이다. 제작한 Op-Amp는 차단 주파수 (cutoff frequency) 5 [kHz]를 만족하고 있는가? (20점)

Op-Amp의 등가 출력 저항 를 측정하라. 이를 위해 부하에 가변

저항을 사용한다. (20점) 부하가 일 때 부하 전압측정값을 부하가 일 때 부하 전압측정값을

이때 로 계산할 수 있다.

음성 신호 증폭기로 위에서 제작한 Op-Amp를 사용할 수 있는가? (10

점)

입력 전압과 출력 전압의 비율이 정확히 30 dB가 되게 할 수 있는 방법은 무엇인가? 설계와 제작으로 모두 검증하라. (100점)