설계2. 오디오 증폭기(Audio Amplifier,2015-1)

1. 설계 2. 오디오 증폭기(Audio Amplifier)
□ 목적: Speaker를 구동하기 위한 저주파 오디오 증폭기(Audio Amplifier)
설계를 통해 Op-Amp와 전력증폭기(Power Amplifier) 회로의 기본적인 특성
을 익히고 이해하여 기초적인 저주파 증폭기(Low Frequency Amplifier)를 설
계 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( 5 )
 DC Blocking Capacitor: 50 [uF]

2. 예비보고서(100점)
1. Op-Amp와 전력증폭기의 특성을 비교(유사성, 차이점 등) 검토하시오.
(20점)
2. Op-Amp에서 Capacitance Compensation이 필요한 이유를 증폭기의 발
진(Oscillation) 관점에서 설명하시오. Capacitance Compensation으로 인해
Op-Amp 특성이 나빠지는 문제점도 설명하시오. (30점)
3. 다음 회로를 설계하시오. (50점)
주의) QUCS로 Simulation하지 말 것
  50SR ,  5LR 으로 가정
 Inverting Mode로 100VA 이 되는 증폭기를 계산하여 설계하시오.
(25점)
 Non-Inverting Mode로 100VA 이 되는 증폭기를 계산하여 설계하시
오. (25점)

3. 결과보고서(설계 및 제작 방법: 230점)
1. QUCS를 활용하여 전압 이득(voltage gain)이 30 dB(= 전압 비율 31.6배)
인 Op-Amp를 설계한다. (70점)
 Inverting Mode와 Non-Inverting Mode 중 하나를 설계한다. (40점)
 설계시  50SR , 10LR 으로 가정한다.
VVV 15CC   , VVV 15EE   , ][10 mVvi  의 전압을 인가한다.
 Simulation S/W: QUCS를 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 0LR 이라 둔다. (10점)
 설계 결과물의 부하 조건(  k1~5 )에 따른 전압 이득 특성을 관찰하
시오. 예를 들어  kRL 1,100,10,5 ,개방(Open)이라고 가정한다. (20점)
LR 5 10 100 k1 Open
VA
2. 설계한 Op-Amp를 직접 제작한다. (160점)
 Op-Amp가 포화될 경우 이전에 설계한 20 dB Attenuator를 Op-
Amp의 입력에 달아 입력을 줄여준다.
 Op-Amp의 LR 은 제거하여 부하를 개방으로 만든다. 이때 증폭기 성
능을 출력 전압 관점으로 검증한다. 입력 전압을 증가시켰을 때 출력
전압이 Bias까지 포화되는 특성이 나타나면 증폭기는 정상 동작하고
있다. (20점)
 f = 1 [kHz], 부하가 개방( LR = Open)인 경우 Op-Amp의 전압 이
득을 측정한다. 전압 이득은 반드시 30dB보다 커야 한다. 만약, 전압
이득이 나오지 않는 경우는 21,RR 를 조정한다. (10점)
 부하에  kRL 1,10 을 단 경우 전압 이득을 측정한다. 특히
10LR 인 경우 부하의 출력 전압이 정상적으로 관측되는가? (20점)

4. LR 10 k1 Open
VA
 Op-Amp를 포화시켜 최대 출력 전류( maxI )를 측정하라. 만약
10LR 일 경우 출력 전압( oV )이 포화되었다면 Lo RVI /max  관계를
이용해 최대 출력 전류를 구할 수 있다. 아니라면 아주 낮은 LR 을
달아 강제로 포화시킨다. (10점)
 Capacitance Compensation이 필요한 Op-Amp라면 Datasheet에 주
어진 대로 Capacitor를 연결하라. Capacitor가 필요 없는 경우도 있
으니 Datasheet을 잘 봐야 한다.
  kRL 1 인 경우 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 전
압 이득이 떨어지는 주파수이다. 제작한 Op-Amp는 차단 주파수
(cutoff frequency) 5 [kHz]를 만족하고 있는가? (20점)
 Op-Amp의 등가 출력 저항 oR 를 측정하라. 이를 위해 부하에 가변
저항을 사용한다. (20점)
 부하가 1LL RR  일 때 부하 전압측정값을 1V
 부하가 2LL RR  일 때 부하 전압측정값을 2V
 이때
2112
21
21
LL
LLo
RVRV
VV
RRR


 로 계산할 수 있다.
 음성 신호 증폭기로 위에서 제작한 Op-Amp를 사용할 수 있는가?
(10점)
 입력 전압과 출력 전압의 비율이 정확히 30 dB가 되게 할 수 있는
방법은 무엇인가? 설계와 제작으로 모두 검증하라. (50점)