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Ch. 12 Operational Amplifier
(OP-AMP)
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Yun SeopYu정귀환과 안정도
안정도 (Stability): 발진이 일어나지 않는 정도
정귀환 (Positive feedback)
발진 (oscillation) (when BAol > 1)불안정화
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Yun SeopYu정귀환과 안정도
루프이득
불안정이득
정귀환
BAol (폐루프 증폭기 루프이득) > 1
위상 여유 (Phase Margin): 루프의 전체 위상지연을 360°로 만드는데
필요한 부가 위상 지연량
- 입출력 위상 지연: 180°- OP-Amp 내부 RC 지연 회로 위상차: φtot- 전체 위상 지연: 180° + φtot
위상여유 (PM): 180° + φtot + φPM = 360°
φPM = 180° - φtot- PM: (+) 전체 위상 지연 < 360° 안정- PM: (-) 전체 위상 지연 > 360° 불안정
반전 입력에 동상입력 가능
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Yun SeopYu정귀환과 안정도
안정도 해석
연산 증폭기 회로: 부귀환, BAol > 1
안정도 판단: 내부 지연회로 위상각 φtot으로 판단
보드선도 (bode plot) 이용
경우 1
Acl(mid) = 106 dB, fmax = 5 kHz
°−=
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛−⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛−⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛−=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−=
−−−
−−−
12.108k100
k5tank10k5tan
k1k5tan
tantantan
111
3
max1
2
max1
1
max1
ccctot f
fff
ffφ
φPM = 180°- |φtot| = 180°– 108.12°= 71.88°
PM: (+) 이므로 안정
fc1 fc2 fc3
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Yun SeopYu정귀환과 안정도
안정도 해석
경우 2Acl(mid) = 80 dB, fmax = 30 kHz
°−=
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛−⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛−⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛−= −−−
32.176k100k30tan
k10k30tan
k1k30tan 111
totφ
φPM = 180°- |φtot| = 3.64°
PM: (+) 이므로 안정그러나, 불안정하기 쉽다.φPM = +45°: 최소한 여유 필요
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Yun SeopYu정귀환과 안정도
안정도 해석
경우 3Acl(mid) = 18 dB, fmax = 500 kHz
°−=
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛−⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛−⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛−= −−−
43.257k100k500tan
k10k500tan
k1k500tan 111
totφ
φPM = 180°- |φtot| = -77.43°
PM: (-) 이므로 불안정 (발진)
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Yun SeopYu정귀환과 안정도
안정도 판정 요약
모든 중역 주파수에서 안정하기 위한 조건: 폐루프 이득곡선 (Acl)과 개방루프이득 (Aol)이 –20 dB 선상에서 교차하도록
φPM = +45°: 최소한 여유 필요
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Yun SeopYuOP-Amp 보상 (Compensation)
폐루프 전압이득 곡선 기울기 ≤ –20 dB/decade
매우 높은 Acl(mid)
그러나, 작은 Acl(mid) 요구
Solution: 낮은 Acl(mid) + 위상 지연 보상
위상 지연 보상
보상 없는 Aol
조금의 보상 있는 Aol1
많은 보상 있는 Aol2
Acl1
Acl2
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Yun SeopYuOP-Amp 보상 (Compensation)
보상 회로
Cc CRR
f)(2
1
21 +=
π
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Yun SeopYuOP-Amp 보상 (Compensation)
보상회로
보상회로가 부가된 연산 증폭기
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Yun SeopYuOP-Amp 보상 (Compensation)
Extra Example: 안정성 보장되는 최소 Acl = 40 dB 20 dB 되도록보상회로 fc’ ?보상회로 이상적 응답곡선?보상회로 포함 후, 개방루프
응답곡선?
fc’ = 10Hz
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Yun SeopYuOP-Amp 보상 (Compensation)
보상의 한계
741 회로: 내부에서 적당한 CC 사용 보상 (내부 보상)
문제점: 대역폭 좁아져 슬루율 감소
외부보상:
일부 보상 완전 보상
C1 : 외부 보상 콘덴서
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Yun SeopYuOP-Amp 보상 (Compensation)
한 개의 콘덴서 이용한 보상
외부 콘덴서 이용 대역폭 변화시킴 (문제점)
순방향 보상 대역폭 감소 줄임
a)
b)
고주파에서 내부입력단을 바이패스시키고두번째단 증폭구동
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Yun SeopYu시뮬레이션
Inverting Amp.
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Yun SeopYu시뮬레이션
Oscilloscope 결과
Acl(I) = -Rf/Ri = 33k/2.2k = -15 반전Vin(p-p) ≈ 200 mVVout(p-p) = 3VAv = Vout(p-p) / Vin(p-p) = 15
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Yun SeopYu시뮬레이션
Bode plot 결과
Acl(I) = 20log(15) = 23.5 dBAcl(I) – 3dB 차단주파수 fc ≈ 66kHz
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Yun SeopYuApplication Activity: Op-Amp Audio Amplifier
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Yun SeopYuApplication Activity: Op-Amp Audio Amplifier
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Yun SeopYuApplication Activity: Op-Amp Audio Amplifier
시뮬레이션
비반전 증폭기AB급 전력증폭기
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Yun SeopYuApplication Activity: Op-Amp Audio Amplifier
시뮬레이션
비반전 증폭
AB급 전력증폭
입력
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Yun SeopYuApplication Activity: Op-Amp Audio Amplifier
Hand Calculation
비반전 증폭기AB급 전력증폭기
gaini
fNIcl Rk
k
R
RA
++=+=
10
15011)(
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Yun SeopYuApplication Activity: Op-Amp Audio Amplifier
비반전 증폭기AB급 전력증폭기
Class AB Power Amp.
Hand Calculation
ininiout
inout
IIAI
VV
β≈=
= ,
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Yun SeopYuFaults in the Noninverting Amplifier
Open Feedback Resistor
very high open-loop gain nonlinear operationseverely clipped output signal
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Yun SeopYuFaults in the Noninverting Amplifier
Open Input Resistor
Voltage follower
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Yun SeopYuFaults in the Noninverting Amplifier
Internally Open Noninverting Op-Amp Input
No input No output
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Yun SeopYu
26
Homework
All Examples
Selected Problems(P.656-665): 10, 13, 15, 16, 17, 19, 20, 21, 25, 39, 53
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Yun SeopYu
27
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Yun SeopYu
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Yun SeopYu
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Yun SeopYu