TL082/LM1458 오피앰프로 고임피던스 전압계 제작하기

부품 및 재료

• 연산 증폭기 – TL082 (Radio Shack 카탈로그 #276‑1715)
• 연산 증폭기 – LM1458 (Radio Shack 카탈로그 #276‑038)
• 6V 배터리 4개
• 1mA 미터 무브먼트 (0‑15VDC 정격, Radio Shack 카탈로그 #22‑410)
• 15kΩ 정밀 저항 (±1% 공차)
• 1MΩ 저항 4개 (고저항 값이면 어떤 것이든 작동)

1mA 미터 무브먼트는 0‑15VDC 미터로 판매되지만, 본질적으로 15kΩ 배율 저항과 짝을 이룬 1mA 지시계입니다. 이 미터가 있다면, 동봉된 15kΩ 저항이 위에 나열된 것을 대체할 수 있습니다.

JFET 입력 오피앰프인 TL082를 사용하여 고임피던스 전압계를 구성하는 방법을 설명합니다. LM1458은 TL082에서 발생할 수 있는 래치업 문제가 없으므로 비교용으로 제시됩니다.

1MΩ 저항에는 매우 높은 저항 값도 허용됩니다; 이들은 미터의 입력 임피던스와 범위를 설정하는 데만 필요합니다.

참조 자료

Lessons in Electric Circuits, Vol. 3, Chap. 8: "Operational Amplifiers."

학습 목표

• 전압계 로딩, 그 원인 및 완화 기술 이해
• 오피앰프를 사용한 고임피던스 전압계 제작
• 오피앰프 래치업 인식 및 방지 방법 학습

회로도

회로도

지침

이상적인 전압계는 무한한 입력 임피던스를 가지며, 테스트 중인 회로에서 전류를 끌어오지 않습니다. 미터의 전류 소모가 클수록 로딩으로 인한 측정 오차가 커집니다. 이는 공기가 새면서 처지는 타이어 게이지와 유사합니다. 이 효과는 1MΩ 전압 분배기와 같은 고저항 회로에서 특히 두드러집니다.

단순히 1mA 미터 무브먼트를 15kΩ 저항과 직렬로 연결하여 TP1, TP2, TP3의 전압을 읽으려 하면, 미터 로딩으로 인해 상당한 오차를 관찰하게 됩니다.

아래에 설명된 오피앰프 구성을 사용하면 로딩이 크게 줄어듭니다. 미터 무브먼트가 오피앰프의 피드백 루프에 위치하므로, 바늘을 구동하는 전류는 테스트 포인트가 아닌 오피앰프의 전원 레일에서 공급됩니다. 15kΩ 저항은 1mA 미터의 풀스케일 전류를 설정합니다.

회로도에 표시된 회로를 제작하고 TP1, TP2, TP3를 다시 측정하세요. 이제 각각 약 3V, 6V, 9V에 가까운 값을 읽어야 합니다.

이 설계의 극도의 민감성을 주목하세요: 한 손으로 테스트 프로브를, 다른 손으로 배터리의 가장 양의 단자를 만지면 바늘이 움직입니다. 신체의 저항이 미터의 피드백 루프를 통해 작은 전류를 흐르게 하기 때문입니다. 프로브가 접지에 닿으면 올바르게 0V를 읽습니다.

다음으로, 2번째와 3번째 배터리 사이의 센터 탭을 제거하고 맨 끝 음성 단자를 접지하도록 전원 공급을 분할 구성으로 수정하세요.

이 변경으로 테스트 포인트 전압이 6V, 12V, 18V로 상승합니다. 18V 읽기는 미터를 한계까지 밀어붙이겠지만, 6V와 12V 포인트는 여전히 정확하게 측정됩니다.

이제 테스트 프로브를 접지해도 바늘이 0으로 가지 않습니다. 이는 전형적인 오피앰프 래치업 시나리오입니다: JFET 입력이 공통 모드 전압이 음의 레일에 접근할 때 포화됩니다. 듀얼 전원(+12V / –12V)에서는 음의 레일이 접지보다 12V 아래에 있으므로 프로브 접지가 공통 모드 한계를 위반하지 않습니다. 그러나 단일 +24V 전원(0V 접지)에서는 프로브의 0V 입력이 음의 레일에 도달하여 래치업을 유발하고 출력이 높게 스윙하게 만듭니다.

TL082를 LM1458로 교체하면 더 넓은 공통 모드 범위를 허용하므로 이 래치업이 제거됩니다. 일반적으로 오피앰프의 전원 레일이 장치의 공통 모드 한계만큼 최대 예상 입력 전압을 초과하도록 항상 보장하세요.

관련 워크시트

• 전압/전류 변환기 오피앰프 회로 워크시트