실습: 증폭과 필터링을 나누어 검증하기

동작을 분명하게 볼 수 있는 능동 필터

이득 2의 비반전 증폭기 뒤에 15.9 kΩ, 100 nF 저역통과 필터를 놓습니다. 이 교육용 모델에서는 증폭기가 입력을 필터 부하로부터 격리하며, 필터 출력에는 부하가 없습니다. 공칭 극점 주파수는 100.097448 Hz입니다. 저주파 전압 이득은 약 2, 극점에서는 약 √2, 극점 주파수의 열 배에서는 약 0.199007입니다.

active-filter.cir로 저장하고 사용 가능한 독립 실행형 ngspice에서 ngspice -b active-filter.cir를 실행하세요. Eamp는 직류 이득 100000을 가진 이상적인 전압 제어 전압원이며 제조사의 연산 증폭기 매크로 모델이 아닙니다.

Ideal noninverting gain 2 followed by isolated RC pole
V1 in 0 DC 0 AC 1 SIN(0 0.05 10)
Rg minus 0 10k
Rf amp minus 10k
Eamp amp 0 in minus 100000
Rfilter amp out 15.9k
Cfilter out 0 100n
.op
.ac dec 40 1 100k
.tran 100u 300m 0 100u
.print ac vm(out) vp(out)
.print tran v(in) v(out)
.save all
.end

유한한 개방 루프 이득 때문에 폐루프 직류 이득은 100000/(1+50000), 약 1.999960입니다. 모델에는 전원 핀, 출력 클리핑, GBW 극점, 슬루율 제한, 잡음, 입력 바이어스 전류, 출력 전류 제한이 없습니다. 따라서 실제 3.3 V 증폭기의 적합성을 검증할 수는 없습니다. 저항과 커패시터의 응답을 독립적으로 확인하기 위해 이러한 특성을 의도적으로 생략한 것입니다.

네트리스트에서 Rg와 Rf는 같은 10 kΩ이므로 출력의 절반이 반전 입력으로 돌아갑니다. Eamp의 큰 이득과 이 음의 피드백이 증폭단의 이득을 약 2로 만듭니다. Rfilter와 Cfilter는 그 뒤에서 별도의 극점을 만듭니다. 각 부분의 역할을 나누어 읽으면 이득 차이가 증폭단에서 생겼는지, 주파수 감쇠가 RC단에서 생겼는지 추적할 수 있습니다.

예측과 비교하고 조건을 바꿉니다

정확한 AC 확인점을 얻으려면 주파수 스윕을 .ac lin 1 100.097448 100.097448로 바꾸세요. 출력 크기는 약 1.414185, 위상은 −0.785398 rad여야 합니다. 크기는 0.002 이내, 위상은 0.001 rad 이내로 비교합니다. 피크 50 mV인 10 Hz 입력에서는 정착 후 출력 피크가 약 99.503 mV입니다. 진폭을 측정하기 전에 시작 과도응답이 정착하도록 기다리세요.

AC 해석에서는 AC 1로 지정한 입력을 사용하므로 출력 크기가 전달 이득에 대응합니다. 과도 해석은 SIN에 지정한 50 mV 피크 입력을 사용하므로 결과의 단위는 실제 전압입니다. AC 이득 수치와 시간영역 전압 수치를 그대로 비교하지 말고 입력 조건을 먼저 맞추세요. 또한 출력된 위상은 여기서 라디안으로 비교하므로 도 단위와 섞지 않아야 합니다.

Rfilter를 31.8 kΩ으로 바꾸세요. 저주파 이득은 약 2로 유지되지만 차단 주파수는 절반이 됩니다. 다음으로 출력에 100 kΩ 부하를 연결하고, 재실행 전에 직류 감쇠와 이동한 극점을 계산하세요. RC 앞에 있는 버퍼는 RC 뒤에 연결한 부하로부터 RC 출력을 격리하지 않습니다. 직류에서는 커패시터가 열려 있으므로 Rfilter와 부하의 분압을 볼 수 있고, 극점을 구할 때에는 커패시터가 보는 유효 저항을 사용해야 합니다.

이상 모델의 결과와 남아 있는 실제 소자 검사를 별도로 기록하세요. 다음 설계 단계에서는 소자를 선택하여 공통 모드 범위, 출력 스윙, 대역폭, 슬루율, 안정성을 확인해야 합니다. 종속 전원과 해석 문법은 ngspice 문서를 참고하세요.