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설계 2. 오디오 증폭기(Audio Amplifier)
□ 목적: Speaker를 구동하기 위한 저주파 오디오 증폭기(Audio
Amplifier) 설계를 통해 Op-Amp와 전력증폭기(Power Amplifier) 회로
의 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( Ω5 )
 DC Blocking Capacitor: 50 [uF]
예비보고서(100점)
1. Op-Amp와 전력증폭기의 특성을 비교(유사성, 차이점 등) 검토하시오. (20점)
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
 Ω=50SR , Ω= 5LR 으로 가정
 Inverting Mode로 100=VA 이 되는 증폭기를 계산하여 설계하시오. (25
점)
 Non-Inverting Mode로 100=VA 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 비
율 31.6배)인 Op-Amp를 설계한다. (80점)
 Inverting Mode와 Non-Inverting Mode를 모두 설계한다. (40점)
 설계시 Ω=50SR , Ω=10LR 으로 가정한다.
VVV 15CC == + , VVV 15EE −== − , ][10 mVvi = 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 얼마
인가 확인하라. 이를 구하기 위해 0=LR 이라 둔다. (10점)
 설계 결과물의 부하 조건( ΩΩ 100~5 )에 따른 전압 이득 특성을 관찰하시
오. 예를 들어 Ω= 100,50,5LR 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? (10
점)
 Op-Amp가 포화될 경우 이전에 설계한 20 dB Attenuator를 Op-Amp의 입
력에 달아 입력을 줄여준다.
 Op-Amp의 LR 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 반드
시 30dB보다 커야 한다. (10점)
 부하에 Ω=10LR 을 단 경우 전압 이득을 측정한다. Ω=10LR 인 경우 부
하의 출력 전압은 정상적으로 관측되는가? (20점)
 Op-Amp의 최대 출력 전류( maxI )를 측정하라. 0=LR 이라 두면 이 값을
측정할 수 있다. 혹은 Ω=10LR 일 경우 출력 전압( oV )이 포화되었다면
Lo RVI /max = 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 관찰
하라. 최대 주파수는 증폭기의 고주파 차단 주파수와 동일하다. 차단 주파
수는 정상 전압 이득에서 3dB만큼 전압 이득이 떨어지는 주파수이다. 제
작한 Op-Amp는 차단 주파수(cutoff frequency) 5 [kHz]를 만족하고
있는가? (20점)
 Op-Amp의 등가 출력 저항 oR 를 측정하라. 이를 위해 부하에 가변 저
항을 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. (100점)

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오디오 증폭기 설계(Design of Audio Amplifier)

  • 1. 설계 2. 오디오 증폭기(Audio Amplifier) □ 목적: Speaker를 구동하기 위한 저주파 오디오 증폭기(Audio Amplifier) 설계를 통해 Op-Amp와 전력증폭기(Power Amplifier) 회로 의 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( Ω5 )  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 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  Ω=50SR , Ω= 5LR 으로 가정  Inverting Mode로 100=VA 이 되는 증폭기를 계산하여 설계하시오. (25 점)  Non-Inverting Mode로 100=VA 이 되는 증폭기를 계산하여 설계하시오. (25점)
  • 3. 결과보고서(설계 및 제작 방법: 300점) 1. EMtool Design Studio를 활용하여 전압 이득(voltage gain)이 30 dB(= 전압 비 율 31.6배)인 Op-Amp를 설계한다. (80점)  Inverting Mode와 Non-Inverting Mode를 모두 설계한다. (40점)  설계시 Ω=50SR , Ω=10LR 으로 가정한다. VVV 15CC == + , VVV 15EE −== − , ][10 mVvi = 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 얼마 인가 확인하라. 이를 구하기 위해 0=LR 이라 둔다. (10점)  설계 결과물의 부하 조건( ΩΩ 100~5 )에 따른 전압 이득 특성을 관찰하시 오. 예를 들어 Ω= 100,50,5LR 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? (10 점)  Op-Amp가 포화될 경우 이전에 설계한 20 dB Attenuator를 Op-Amp의 입 력에 달아 입력을 줄여준다.  Op-Amp의 LR 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 반드 시 30dB보다 커야 한다. (10점)  부하에 Ω=10LR 을 단 경우 전압 이득을 측정한다. Ω=10LR 인 경우 부 하의 출력 전압은 정상적으로 관측되는가? (20점)
  • 4.  Op-Amp의 최대 출력 전류( maxI )를 측정하라. 0=LR 이라 두면 이 값을 측정할 수 있다. 혹은 Ω=10LR 일 경우 출력 전압( oV )이 포화되었다면 Lo RVI /max = 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 관찰 하라. 최대 주파수는 증폭기의 고주파 차단 주파수와 동일하다. 차단 주파 수는 정상 전압 이득에서 3dB만큼 전압 이득이 떨어지는 주파수이다. 제 작한 Op-Amp는 차단 주파수(cutoff frequency) 5 [kHz]를 만족하고 있는가? (20점)  Op-Amp의 등가 출력 저항 oR 를 측정하라. 이를 위해 부하에 가변 저 항을 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. (100점)