응용전자회로 강의록 – 7 <선형 증폭기 응용회로 (2)> 응용전자회로 강의록 – 7 <선형 증폭기 응용회로 (2)> 2012103847 이은주

index 1. Instrumentation amp & Dual op amp IA 2. Balanced transmission & Shield 3. Transducer Bridge amp

1. INSTRUMENTATION AMP & DUAL OP AMP IA - Instrumentation amplifier ① Input impedance ↑ ② Output impedance ↓ ③ Accurate & stable gain (1~1000) ④ CMRR↑ 𝑉 𝑂 = 𝑅 2 𝑅 1 (1+2 𝑅 3 𝑅 𝐺 ) ( 𝑉 2 − 𝑉 1 )

- Dual op amp IA Op amp를 2개만 사용 𝑅 𝑖1 ⟶∞, 𝑅 𝑖2 ⟶∞, 𝑅 𝑜 ⟶0 𝑅 𝑖1 ⟶∞, 𝑅 𝑖2 ⟶∞, 𝑅 𝑜 ⟶0 CMRR ↑ (If 𝑅 4 = 𝑅 1 , 𝑅 3 = 𝑅 2 ) Gain 가변이 어려움 → 가변저항 𝑅 𝐺 를 붙임 OPAMP U1이 𝑽 𝑶 에 도달하는 시간 > OPAMP U2가 𝑽 𝑶 에 도달하는 시간 ⟶ Phase distortion 발생 ∴ 저주파용

- Dual op amp IA의 출력전압 : 중첩의 원리 사용 ① 𝑽 𝟏 =𝟎 일 때 ① 𝑽 𝟏 =𝟎 일 때 : 𝑉 3 =0이므로 𝑉 𝑂1 = (1+ 𝑅 2 𝑅 1 ) 𝑉 2 ② 𝑽 𝟐 =𝟎 일 때 : 𝑉 𝑂2 = - 𝑅 2 𝑅 1 𝑉 3 = - 𝑅 2 𝑅 1 (1+ 𝑅 3 𝑅 4 ) 𝑉 1 ③ 𝑽 𝑶 𝑉 𝑂 = 𝑉 𝑂1 + 𝑉 𝑂2 = (1+ 𝑅 2 𝑅 1 ) 𝑉 2 − 𝑅 2 𝑅 1 (1+ 𝑅 3 𝑅 4 ) 𝑉 1 = (1+ 𝑅 2 𝑅 1 )( 𝑉 2 − 1+ 𝑅 3 𝑅 4 1+ 𝑅 2 𝑅 1 𝑉 1 ) ⟶ 𝑹 𝟑 𝑹 𝟒 = 𝑹 𝟐 𝑹 𝟏 이면 𝑽 𝑶 =(1+ 𝑹 𝟐 𝑹 𝟏 )( 𝑽 𝟐 − 𝑽 𝟏 )

2. BALANCED TRANSMISSION & SHIELD - 𝑉 1 ′ = 1 𝑗𝑤 𝑐 1 𝑅 𝑆1 + 1 𝑗𝑤 𝑐 1 𝑉 1 𝑉 2 ′ = 1 𝑗𝑤 𝑐 2 𝑅 𝑆2 + 1 𝑗𝑤 𝑐 2 𝑉 2 ∴ 𝑉 𝑂 = ( 𝑉 2 - 𝑉 1 ) 𝐴 𝐷𝑀 + ( 𝑉 2 ′- 𝑉 1 ′) 𝐴 𝐷𝑀 + 1 2 ( 𝑉 2 ′+ 𝑉 1 ′) 𝐴 𝐶𝑀 CMRR = 20log 1 2𝝿𝑓 𝑅 𝐷𝑀 𝐶 𝐶𝑀 ( 𝑅 𝐷𝑀 = 𝑅 𝑆1 − 𝑅 𝑆2 , 𝐶 𝐶𝑀 = 1 2 ( 𝐶 1 + 𝐶 2 ) )

① shield cable Shield (차폐) : Interface나 cross talk를 없애줌 - Ground shield : 전원 전압에 의한 Interface( 𝑖 𝑏1 , 𝑖 𝑏2 ) 를 제거하고 싶을 때 사용 - 거리가 좁아질 수록 𝐶 1 , 𝐶 2 는 커짐 → leakage current ↑ (좋지 X) Shield (차폐) : Interface나 cross talk를 없애줌

- Active shield (Driven shield) - 신호선 자체가 접지와의 전위차로 인해 만들어내는 leakage current를 없애고 싶을 때 사용

- Ground shield & Active shield - 두 신호선을 active shield - 여러 개를 한꺼번에 묶어서 Ground shield - 두 신호선을 Ground shield & Active shield

② 응용 - PCB 및 package - Connector - Layout (2차원 평면에서의 차폐)

③ Chassis ⟶ ‘ Ground shield ’

3. TRANSDUCER BRIDGE AMP ① Resistive Sensor - Light : Photoresistor - Temp : Themister , RTD - Light : Photoresistor - Strain : Strain gage - Pressure : Piezo resistive sensor R = R+△R = R (1+δ) δ = △R 𝑅 물리량 변화 ⟶ 저항 변화 ⟶ 전압 변화

② DC bridge 회로 R = R+△R = R (1+δ) (Unbalanced)

= 𝐴𝛿 𝑉 𝑅𝐸𝐹 2+ 𝑅 1 𝑅 + 𝑅 𝑅 1 +(1+ 𝑅 𝑅 1 )𝛿 - Unbalanced bridge 회로의 경우 V 2 = 𝑅 𝑅 + 𝑅 1 𝑉 𝑅𝐸𝐹 V 1 = 𝑅(1+𝛿) 𝑅 1 + 𝑅(1+𝛿) 𝑉 𝑅𝐸𝐹 = 𝑅 𝑅 + 𝑅 1 𝑉 𝑅𝐸𝐹 + 𝛿 2+ 𝑅 1 𝑅 + 𝑅 𝑅 1 +(1+ 𝑅 𝑅 1 )𝛿 𝑉 𝑅𝐸𝐹 𝑉 𝑂 = A( V 2 - V 1 ) = 𝐴𝛿 𝑉 𝑅𝐸𝐹 2+ 𝑅 1 𝑅 + 𝑅 𝑅 1 +(1+ 𝑅 𝑅 1 )𝛿 𝜹 << 1 일 때, 𝑽 𝑶 = 𝑨𝜹 𝑽 𝑹𝑬𝑭 𝟐+ 𝑹 𝟏 𝑹 + 𝑹 𝑹 𝟏 ∝ T

Ex 1) pt RTD R(T=0℃) = 100 Ω , α = 0.00392/℃ 일 때 ⟶ R(T) = R(1+ δ(T)) = 100(1+0.00392T) Self – heating 방지 PRTD < 0.2mw PRTD = 𝑖 2 RTD R ∴ 𝑖 𝑅𝑇𝐷 = 𝑃 𝑅𝑇𝐷 𝑅 = 0.2𝑚𝑊 100Ω = 1.4mA ⟶ Choose 𝒊 𝑹𝑻𝑫 =𝟏𝐦𝐀

T=-100℃ ⟶ 𝑉 𝑂 = 0~10V ∴ A = 258.5V/V ② 근사식 사용 X ⟶ 𝑖 𝑅𝑇𝐷 = 15 𝑅 1 + 𝑅(1+𝛿) ≒ 15 𝑅 1 = 1mA ( 𝑅 1 =15𝑘Ω일 때, 𝑖 𝑅𝑇𝐷 <1mA) < 𝛿 << 1 일 때 > ① 근사식 사용 ( 𝑽 𝑶 ≒ 𝐀𝛅 𝐕 𝐑𝐄𝐅 𝟐+ 𝐑 𝟏 𝐑 + 𝐑 𝐑 𝟏 ) △T= 1℃ 일 때, △ 𝑉 𝑂 = A X 15 X 1.00372 X 1 2+ 15 0.1 + 0.1 15 ∴ A = 258.5V/V ② 근사식 사용 X ⟶ 근사식인 경우에 비해 0.26 ℃의 차이 발생

③ Bridge balancing ( 1% 저항 사용 or 5% 저항 사용)

To be safe ⟶ VREF = 15± 1v(14~16V) 라고 가정 전원 : ± 0.05V X 15 = ± 0.75V 변동 To be safe ⟶ VREF = 15± 1v(14~16V) 라고 가정 - A점의 전압 : 14V & R3에는 0~2V가 걸림 이 때, 𝑹 𝟐 𝟐 + R1 + R = 𝟏𝟒𝑽 𝟏𝒎𝑨 = 14kΩ - R3에 흐르는 전류 = 2mA ∴ R3 = 𝟐𝑽 𝟐𝒎𝑨 = 1kΩ 𝑅 2 2 + R1 + R = 14kΩ → 14kΩ ± 140Ω (280Ω으로 조정) To be safe ⟶ R2 = 500Ω R1 = 14kΩ - 100Ω – 500Ω 2 = 13.6kΩ R1 = 13.7kΩ (1% 저항) ∴ A = 257.8 V/V

Thank you~^^