정밀 전압 팔로워: 오피앰프 피드백 마스터로 정확한 신호 추적

부품 및 재료

• 연산 증폭기: 1458 또는 353 모델 (Radio Shack 카탈로그 # 276‑038 및 # 900‑6298)
• 6볼트 배터리 3개
• 10kΩ 리니어 테이퍼 포텐쇼미터 (Radio Shack 카탈로그 # 271‑1715)

참조 자료

Lessons In Electric Circuits, Volume 3, Chapter 8: "Operational Amplifiers."

학습 목표

• 오피앰프를 전압 팔로워로 구성하는 방법 시연
• 단일 이득 구성에서 부帰還의 역할 설명
• 오피앰프 회로에 대한 체계적 문제 해결 접근법 개요

회로도

회로도

지침

이전 실험에서는 오피앰프를 개방 루프 구성으로 사용하여 최대 전압 이득을 제공했습니다. 이는 비교기 응용에 유용하지만, 0이 아닌 차동 입력에 대해 출력이 빠르게 포화됩니다. 예측 가능한 이득을 가진 진정한 증폭기로 오피앰프를 사용하려면 부帰還을 도입해야 합니다.

출력을 반전(-) 입력에 직접 연결하면, 오피앰프는 반전 입력 전압이 비반전(+) 입력 전압과 일치하도록 출력을 자동으로 조정합니다. 이 직접 피드백으로 회로는 전압 팔로워로 동작합니다. 이는 입력 전압을 마이크로볼트 정밀도로 출력에서 재현하는 단일 이득 버퍼입니다.

비반전 입력(비반전 입력과 접지 사이)의 전압과 출력(출력 단자와 접지 사이)의 전압을 측정하세요. 포텐쇼미터를 돌리면서 출력이 입력을 얼마나 정확하게 추적하는지 관찰하세요.

더 직접적인 평가를 위해 두 입력 단자 사이에 전압계를 연결하세요. 포텐쇼미터 범위의 대부분에서 오차 전압은 무시할 수 있을 정도입니다.

포텐쇼미터가 극단으로 설정되면, 특히 1458이나 353 모델에서는 측정 가능한 오차가 나타날 수 있습니다. 이 오피앰프들은 출력을 공급 레일(+18V와 0V)까지 완전히 스윙할 수 없습니다. 일반적으로 약 1~2V 정도 부족한데, 이는 설계자가 고려해야 할 일반적인 한계입니다. 레일-투-레일 성능이 필요하다면 3130 같은 오피앰프를 고려하세요.

전압 팔로워는 소스 신호가 높은 임피던스를 가져 로딩을 견딜 수 없을 때 매우 유용합니다. 전압 이득은 단일하지만, 팔로워의 낮은 출력 임피던스는 신호가 왜곡 없이 무거운 부하를 구동할 수 있게 합니다.

또한 실용적인 진단 도구로도 사용됩니다. 복잡한 회로에서 오피앰프 고장이 의심되면, 단순한 전압 팔로워로 재배선하세요. 정상적인 오피앰프는 입력 전압을 정확히 복제하지만, 그렇지 못하면 결함 소자임을 나타냅니다.

컴퓨터 시뮬레이션

SPICE 노드 번호가 있는 회로도:

넷리스트 (다음 내용을 voltage_follower.cir라는 텍스트 파일에 복사):

 Voltage follower
vinput 1 0
rbogus 1 0 1meg
e1 2 0 1 2 999meg
rload 2 0 10k
.dc vinput 5 5 1
.print dc v(1,0) v(2,0) v(1,2)
.end 

이 모델에서 오피앰프는 999 MΩ의 개방 루프 이득을 가진 종속 전압 소스(e1)로 표현됩니다. 큰 rbogus 저항(1 MΩ)과 부하 저항(rload)은 SPICE 수렴을 위한 필수 DC 경로를 제공합니다.

관련 워크시트

• 양의 피드백 오피앰프 회로 워크시트