연산 증폭기 회로 기판

일반적인 실험실 기반 Electrical Engineering 101 수업은 저항기, 커패시터, 인덕터, 다이오드에 대한 강의와 키르히호프의 법칙을 이용한 기본 회로 분석 방법을 포함한 기본 사항으로 시작합니다. 이러한 주제를 위한 실험실에서는 대개 정반대의 두 가지가 동시에 적용되는 장치를 사용합니다. 이는 축복이자 저주이고 사랑이자 증오이며, 전자 탐험의 무한한 놀이터이자 EE 학생의 존재에 있어 골칫거리입니다. 이 멋지면서도 끔찍한 장치는 무엇일까요? 바로 무납땜 브레드 기판입니다.

여기에서 무납땜 브레드 기판에 대해 자세히 살펴보지는 않겠지만, 무납땜 브레드 기판은 여전히 그 자리를 지키고 있으며 금방 사라지지는 않을 것입니다. 이 기판은 전자 부품에 대한 실제 감각을 익히고, 부품을 재사용하면서 처음 몇 개의 회로를 구성하고, 'Hello, World!'의 전자적 표현에 해당하는 LED를 켜는 데 매우 유용합니다(직렬 저항도 잊지 마세요!). 그러나 그림 1에 표시된 2차 저역 통과 필터¹와 같이 처음 몇 개의 3개, 4개, 5개 또는 6개의 부품 회로 다음에는 연결 오류, 단락, 개방 연결, 최악의 경우 간헐적 연결이 발생할 확률이 급상승합니다.

그림 1. 일반적인 '단순' 브레드 기판 회로. (이미지 출처: Analog Devices)

회로의 복잡성과 부품 수가 증가함에 따라 브레드 기판의 실용성이 떨어지는 결정 시점이 있으며², 이 시점은 회로 기판을 생산하는 것이 기술적으로 필수적이고 경제적으로 실행 가능한 시점이 됩니다. 저비용 무료 오픈소스 레이아웃 소프트웨어와 저비용 회로 기판 제조업체의 등장으로 그 결정 시점이 크게 낮은 복잡도 수준으로 떨어졌습니다. 이제 몇 가지 교육용 동영상을 시청하고 무료 레이아웃 소프트웨어를 다운로드한 후 기판을 설계하면 한 자릿수 달러(미국 달러)의 금액으로 일주일 후에 우편을 통해 해당 기판을 받을 수 있습니다. 이는 교육자와 학생 모두에게 기회가 될 수 있으므로 사고력 실험은 건너뛰고 실제 예를 연습해 보겠습니다.

가장 기본적인 회로(전압 분배기, 단순 RC 필터, 다이오드, 트랜지스터 증폭기 한두 개) 다음에 학생들이 자주 접하게 되는 부품은 연산 증폭기(op-amp)입니다. (순수한 아날로그) 연산 증폭기는 활용도가 높은 부품입니다. 2023년에도 인공 지능(AI), 컴퓨터 과학, 디지털, 소프트웨어에 관심을 갖으면서, 물리적 세계에는 항상 증폭해야 하는 작은 신호 또는 강하게 만들어야 하는 약한 신호가 있으며 종종 ADC(아날로그-디지털 변환기)를 구동한 후 신호는 순수하게 디지털 영역에 존재하게 됩니다. 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 디지털 세계의 신호는 아날로그로 변환되고 증폭된 후 무선 송신기, 스피커, 이어버드 또는 디스플레이로 전달되어 최종적으로 (대부분 아날로그인) 인간이 소비하게 됩니다.

학생이 구축하게 될 처음 몇 개의 연산 증폭기 회로는 연산 증폭기 자체, 전원 공급 장치 바이패스 커패시터(잊지 마세요!) 및 기능을 결정하는 몇 가지 수동 부품으로 구성되어 있어 크게 복잡하지 않습니다. 이러한 예에는 다음이 포함됩니다.

• 전압 폴로워/단위 이득 버퍼
• 이득 -1(아날로그 인버터)
• 이득 +2
• 기타 반전 및 비반전 이득
• 차동 증폭기
• 적분기(및 저역 통과 필터)
• 차동기(및 고역 통과 필터)

이러한 회로 중 하나는 높은 성공 확률로 브레드 기판에 구성할 수 있습니다. 그러나 오후 실험실 세션에서는 모든 회로와 모든 학생들에게 좌절감이 있을 것이며 최악의 경우 연산 증폭기에서 마법의 연기³가 피어날 수 있습니다

또한 점퍼를 통해 구성이 선택되므로 학생이 기능 사이에서 쉽게 전환하여 직관력을 더 빠르게 구축할 수 있습니다. 예를 들어 반전 이득과 비반전 이득 간에 또는 미분기와 적분기 간에 전환할 수 있습니다.

그림 2의 회로(부품 목록은 여기를 참조)는 이러한 모든 구성을 한 자릿수 달러의 총 비용과 100% 성공 확률로 테스트, 측정 및 탐색할 수 있도록 설계되었습니다. 또한 GitHub에서 회로 기판 파일을 다운로드할 수 있으며, DigiKey의 DKRed 또는 PCB 빌더 서비스를 통해 기판을 주문할 수도 있습니다.

그림 2a. 연산 증폭기 실험 Kicad 회로도. (이미지 출처: Analog Devices)

그림 2b. 시뮬레이션을 위한 연산 증폭기 실험 LTspice 회로도. (이미지 출처: Analog Devices)

그림 2c. 연산 증폭기 회로 회로 기판. (이미지 출처: Analog Devices)

여러 가지 연산 증폭기 스타일을 수용할 수 있으며 기판에 소켓을 설치하여 개별 장치를 스와핑할 수 있습니다. 단일 및 이중 연산 증폭기에는 표준 8핀 핀아웃이 있습니다. 단일 연산 증폭기의 추가 핀은 다양한 기능을 제공합니다. 가장 일반적으로, 공급 레일 중 하나에 와이퍼가 연결된 전위차계를 통한 오프셋 조정 기능이 있습니다(이 기능은 완전히 지원됩니다). 중앙 SIP 소켓은 이 능동 학습 연습에 설명된 이산 트랜지스터 연산 증폭기를 수용합니다.

작업대로 향하기 전에 서류 상의 회로를 살펴보고 선택한 부품을 기반으로 예상되는 동작을 계산하는 것이 좋습니다. 입력된 모든 부품 값과 함께 LTspice 시뮬레이션이 제공되어 과도(시간 영역) 및 AC(주파수 영역) 응답⁴을 포함하여 회로 동작을 예측하기 위한 또 다른 수단을 제공합니다.

이제 마지막으로 전원 스위치를 투입하여 회로가 실제 생활에서 어떤 역할을 하는지 살펴보겠습니다. 여기서는 Analog Device의 ADALM2000을 사용하지만 이 기판은 거의 모든 양극 벤치탑 전원 공급 장치, 신호 발생기, 오실로스코프는 물론 Red Pitaya의 STEMlab 기판과 같은 다른 다기능 테스트 계기와 함께 사용하도록 설계되었습니다.

ADALP2000 부품 키트에 포함된 OP97 증폭기부터 시작하겠습니다. 이 증폭기는 ±2.25V ~ ±20V의 매우 넓은 공급 범위를 갖으며 이에 따라 ADALM2000의 전원 공급 출력은 ±5V로 설정됩니다. 더 흥미로운 회로 중 하나인 차동 증폭기에 맞게 기판을 구성하고, 비반전 입력에는 1kHz, 1Vp-p 사인파를 적용하고 반전 입력에는 100Hz, 1V 톱니파를 적용해 보겠습니다. 이 파형을 사용하면 그림 3a(LTspice 시뮬레이션) 및 3b(측정 결과)에 표시된 것처럼 반전 입력의 극성 반전을 명확하게 관찰할 수 있습니다. 채널 1(주황색)은 연산 증폭기의 출력이고 채널 2는 회로에 대한 반전 입력입니다.

그림 3a. 차동 증폭기 LTspice 시뮬레이션. (이미지 출처: Analog Devices)

그림 3b. 차동 증폭기 측정 결과. (이미지 출처: Analog Devices)

여러 추가 연습에 대한 전체 지침은 연산 증폭기 실험 기판(ADALM2000) 및 연산 증폭기 실험 실습 세션(Red Pitaya STEMlab)(자세한 설정을 보려면 링크의 화살표 클릭)에 게시되어 있습니다. 모든 회로 기판 설계 파일(KiCAD 형식) 및 거버 파일은 Creative Commons BY-SA 라이센스 조건에 따라 공개됩니다(링크는 관련 연습 페이지임).

이제 회로가 실행되고 있으므로 학생(또는 약간의 복습을 원하는 현직 엔지니어)은 다른 구성 사이를 오가며 브레드 기판 연결, 단락, 개방 또는 느슨한 연결에 대한 회로도를 이해하는 과정에서의 오류를 걱정할 필요 없이 모든 규칙을 따랐을 때 예상되는 동작과 더 중요하게는 규칙을 따르지 않을 대의 제한 사항을 탐색할 수 있습니다(예: 출력 클리핑, 입력 공통 모드 범위, 대역폭 제한 및 아날로그 전자 장치를 재미있게 만드는 수많은 기타 작은 세부 사항). 나중에 대학 연구실이나 실제 생활에서 그런 종류의 작업을 수행할 수 있는 기회가 많이 있을 것입니다.

각주:

1 - https://wiki.analog.com/university/courses/electronics/electronics-lab-active-filter

2 - 이 엔지니어의 경우 해당 메모가 없음: https://eater.net/8bit/

3 – 참조: https://en.wikipedia.org/wiki/Magic_smoke

4 – 본 작성자는 먼저 수동 계산, 시뮬레이션 또는 벤치 테스트를 수행하는 것이 더 나은지와 관련해서 특정한 견해가 없습니다. 대부분의 실제 개발 및 디버그에는 다양한 순서로 세 가지를 반복하는 작업이 포함됩니다.