정밀 오피앰프 적분기 랩: 바이어스 전류 보상 & 아날로그 연산

부품 및 재료

최신 오피앰프라면 이 적분기를 실행할 수 있지만, 여기서는 입력 바이어스 전류가 높아 여러분이 배울 대응 효과를 확대하기 위해 LM1458을 선택했습니다. 높은 바이어스 전류는 일반적으로 정밀 회로에서 바람직하지 않지만, 이 시연에서는 교육적 목적을 위해 사용됩니다.

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

정밀 오피앰프 적분기 랩: 바이어스 전류 보상 & 아날로그 연산

회로도는 포텐쇼미터가 두 개의 100kΩ 저항을 통해 전원 레일에 연결되어 있음을 보여줍니다. 이 구성은 포텐쇼미터의 출력 범위를 제한하여, 전체 회전이 중간 레일 기준에 대해 오직 ±0.5V의 작은 스윙만 생성하도록 합니다.

와이퍼가 맨 왼쪽에 있을 때 출력 전압은 약 +0.5V이고, 맨 오른쪽에 있으면 ≈ –0.5V입니다. 중앙에 위치한 와이퍼는 0볼트 기준을 제공합니다.

오피앰프 출력과 회로 접지 사이에 전압계를 연결하세요. 출력을 관찰하면서 포텐쇼미터를 천천히 쓸어보세요. 출력은 와이퍼의 중심에서의 편차에 의해 설정된 비율로 변해야 합니다. 이는 시간이 지남에 따라 입력 신호를 효과적으로 적분합니다.

두 번째 미터로 와이퍼 전압(입력)과 출력 전압을 동시에 표시하여 입력-비율 관계를 시각화할 수 있습니다.

포텐쇼미터를 0볼트를 생성하도록 설정하면 출력의 변화율이 최소화되어야 합니다. 0점에서 멀어지면 램프 기울기가 증가합니다.

첫 번째와 병렬로 두 번째 0.1µF 커패시터를 추가해보세요. 피드백 루프의 커패시턴스를 두 배로 늘리면 적분 속도가 느려져, 주어진 와이퍼 위치에 대해 램프가 길어집니다.

입력 저항과 병렬로 네 번째 1MΩ 저항을 추가하면 유효 입력 저항이 절반으로 줄어들어 적분 속도가 빨라집니다. 이러한 변화는 부품 값이 적분기의 시간 상수에 어떻게 영향을 미치는지 보여줍니다.

적분기는 아날로그 컴퓨터의 기초 요소입니다. 증폭기, 가산 접합, 가변 분배기와 결합하면 거의 모든 선형 미분 방정식을 모델링할 수 있어, 엔지니어가 전압 레벨을 관찰하여 방정식을 풀 수 있게 합니다.

역사적으로 아날로그 컴퓨터는 디지털 시스템이 등장하기 전에 차량 역학, 로켓 궤적, 제어 시스템 응답과 같은 복잡한 현상을 시뮬레이션했습니다. 대부분 대체되었지만, 구성 회로는 미적분 개념을 시각화하는 귀중한 교육 도구로 남아 있습니다.

다음으로, 출력 전압이 0에 최대한 가깝도록 포텐쇼미터를 이동한 후, 입력을 분리하고 반전 단자를 아래와 같이 접지에 쇼트시키세요:

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정확한 0 입력에서 적분기 출력은 이상적으로 일정하게 유지되어야 합니다. 실제로는 실제 오피앰프가 각 입력으로 흐르는 미세한 바이어스 전류를 가지므로 출력이 천천히 드리프트하는 것을 알 수 있습니다.

비반전 입력을 접지하는 1MΩ 저항을 쇼트시키세요. 이 "보상 저항"은 양쪽 입력의 바이어스 전류 경로를 일치시켜, 그렇지 않으면 적분될 오프셋 전압을 상쇄합니다. 저항이 바이패스되면 출력이 드리프트하기 시작하고, 다시 연결하면 안정성이 복원됩니다.

보상 저항을 복원한 후에도 오피앰프의 바이어스 전압 오차로 인해 출력이 약간 드리프트할 수 있는데, 이는 이 랩의 범위를 벗어난 고급 주제입니다.

노드 번호가 있는 SPICE 회로도

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넷리스트 (아래 텍스트를 .cir 파일에 복사):

 DC integrator
vinput 1 0 dc 0.05
r1 1 2 1meg
c1 2 3 0.1u ic=0
e1 3 0 0 2 999k
.tran 1 30 uic
.plot tran v(1,0) v(3,0)
.end