종합 실습: 저전압 센서 증폭기와 필터

필요한 동작을 요구 조건으로 바꿉니다

센서가 1.65 V를 중심으로 ±20 mV, 10 Hz 신호를 만들고 소스 저항이 1 kΩ이라고 가정합니다. 실제 회로에 사용할 전원은 3.3 V입니다. 100 kΩ/10 kΩ 피드백으로 비반전 이득 11을 선택하고, 뒤에 15.9 kΩ/100 nF 저역통과 필터를 놓으세요. 이후 신호를 받는 입력의 임피던스는 높다고 가정합니다. 필터 전의 공칭 신호 출력은 1.65 V ±220 mV입니다.

10 Hz에서 RC 전달 함수의 크기는 약 0.995047입니다. 이상적인 필터 출력 신호는 약 1.65 V ±218.910 mV입니다. 1 kHz에서 필터 크기는 약 0.099600이므로, 센서에 가상의 1 mV 간섭이 있으면 증폭과 필터를 거친 출력에 약 1.0956 mV가 남습니다. 이는 제한적인 1차 감쇠이며 모든 간섭의 제거가 아닙니다.

원하는 10 Hz 신호와 원치 않는 1 kHz 성분을 같은 경로에 적용해 각각 계산하세요. 이득은 두 성분을 모두 키우고 필터는 주파수에 따라 다른 비율로 줄입니다. 따라서 최종 간섭이 센서에서의 간섭보다 커질 수도 있으며, 필터 감쇠값만 보고 출력 간섭을 판단해서는 안 됩니다. 신호는 기준 전압에 대한 변화량으로 기록하고 직류 수준은 별도로 유지하세요.

재현 가능한 교육용 모델

sensor-capstone.cir로 저장하고 사용 가능한 독립 실행형 실행 파일에서 ngspice -b sensor-capstone.cir를 실행하세요.

Sensor deviation gain 11 with 100 Hz RC filter: ideal educational model
Vref ref 0 DC 1.65
Vs sensor ref DC 0 SIN(0 0.02 10) AC 1
Rsource sensor plus 1k
Rg minus ref 10k
Rf amp minus 100k
Eamp amp ref plus minus 100000
Rfilter amp out 15.9k
Cfilter out 0 100n
.op
.ac dec 50 1 10000
.tran 100u 500m 0 100u
.print ac vm(out) vp(out)
.print tran v(sensor) v(amp) v(out)
.save all
.end

전원 Vs는 전원 중간값을 기준으로 연결됩니다. Eamp는 유한 이득의 종속 전원이며 전원에 의한 클리핑, 잡음, GBW, 슬루율, 바이어스 전류가 없습니다. 실제 모델의 폐루프 이득은 약 10.998790이므로 정밀한 시뮬레이션 수치를 비교할 때는 이 값을 사용하세요. 직류 동작점에서 sensor, amp, out은 1.65 V이며 1 mV 이내로 비교합니다. 시작 과도응답 이후 10 Hz 출력의 피크 변화량은 약 218.886 mV여야 하며 2 mV 이내로 비교합니다.

Vs의 SIN 설정은 1.65 V 기준에 대한 20 mV 피크 신호를 만들고, AC 1은 AC 해석의 입력 조건을 지정합니다. amp와 out을 함께 읽으면 증폭만 거친 신호와 필터까지 거친 신호를 비교할 수 있습니다. 피크 변화량을 구할 때에는 절대 출력에서 1.65 V를 기준으로 삼으세요. 시작 직후의 충전 과정과 정착된 주기 응답을 섞으면 진폭 비교가 달라질 수 있습니다.

실제 설계 기록을 완성합니다

제작 전에 3.3 V 전원, 1.65 V 부근 입력 공통 모드 범위, 1.431–1.869 V 출력 범위, 예상 부하 전류를 지원하는 부품을 선택하세요. 이득·대역폭, 슬루율, 1 kΩ을 통한 입력 바이어스 오차, 오프셋, 잡음, 디커플링, 기준 전압 구동 능력을 확인합니다. 저항과 커패시터의 허용오차를 선택하고 차단 주파수의 극값을 평가하세요. 필요한 정현파 슬루율은 여기서 약 0.01375 V/ms에 불과하지만, 이것만으로 소자의 적합성이 검증되지는 않습니다.

이상 모델의 입력에는 바이어스 전류가 없으므로 Rsource에 그에 따른 직류 전압 오차가 생기지 않습니다. 실제 소자를 고를 때에는 바로 이 생략된 항을 다시 계산해야 합니다. 또한 필터 뒤의 수신 입력이 충분히 높은 임피던스라는 가정을 지키지 못하면 통과대역 이득과 극점도 바뀝니다. 연결표에 수신 부하와 기준 전압의 역할을 함께 적어 두세요.

연결표, 손계산 예측, 정확한 입력 파일, 결과 표, 한계를 제출하세요. 독립 실행형 모델의 성공은 ALcad 엔진의 실행 또는 실제 센서의 안전성과 정확성을 입증하지 않습니다. 해석의 기준 문서는 ngspice 문서를 참고하세요.