Arduino UNO R4에서 내장 연산 증폭기(OPAMP) 사용

Arduino UNO R4의 내장 연산 증폭기(OPAMP) 사용에 대해 자세히 알아보겠습니다. 🙂

내장 OPAMP의 특징

• Arduino UNO R4에는 내장 OPAMP가 추가되어 아날로그 신호 처리 기능이 향상되었습니다.
• OPAMP는 증폭, 필터링, 미분 및 적분과 같은 다양한 아날로그 신호 처리에 활용할 수 있는 능동 전자 부품입니다.
• OPAMP는 "반전" 입력, "비반전" 입력, 출력의 3개 단자로 구성되며, 양극 또는 단면 전원 연결이 가능합니다.
• OPAMP는 입력 간 전압 차이를 0으로 만들고 입력에 전류를 소모하지 않는 특성을 가지고 있습니다.

OPAMP 사용 방법

1. 버퍼링: OPAMP를 사용하여 아날로그 입력 신호를 버퍼링할 수 있습니다. 이를 통해 입력 신호의 무부하 특성을 유지하면서 출력 구동 능력을 높일 수 있습니다. 1
2. 증폭: OPAMP의 반전 입력과 비반전 입력에 저항을 연결하여 증폭 회로를 구성할 수 있습니다. 이를 통해 입력 신호를 원하는 크기로 증폭할 수 있습니다. 2
3. 전압 오프셋: OPAMP의 비반전 입력에 기준 전압을 인가하여 출력 신호에 오프셋을 추가할 수 있습니다. 이를 통해 아날로그 입력 신호의 전압 범위를 조정할 수 있습니다. 3, 4
4. 필터링: OPAMP를 사용하여 RC 필터 회로를 구성하여 입력 신호의 고주파 성분을 제거할 수 있습니다.
5. 미분 및 적분: OPAMP와 RC 회로를 이용하여 입력 신호를 미분 또는 적분할 수 있습니다.

이와 같이 Arduino UNO R4의 내장 OPAMP를 활용하면 다양한 아날로그 신호 처리 기능을 구현할 수 있습니다. 사용자의 요구사항에 따라 적절한 OPAMP 회로를 설계하여 활용할 수 있습니다. 

 

2023년 6월에 출시된 Arduino UNO R4 시리즈에는 아날로그 신호와 함께 작동하는 마이크로 컨트롤러의 기능을 크게 향상시키는 OPAMP(내장형 연산 증폭기)가 추가되었습니다. 그러나 현재까지 R4의 온보드 OPAMP를 사용하는 방법에 대한 문서와 예제는 시작 및 실행의 기본 사항으로 제한되었습니다. 일반적으로 OPAMP에 대해 배울 수 있는 훌륭한 리소스가 많이 있지만 정보의 양이 너무 많고 R4의 세부 사항을 다시 연결하기 어려울 수 있습니다. 따라서 이 Instructable의 목표는 R4의 OPAMP에 대한 보다 기술적인 관점을 제공하고 Arduino 사용자가 일반적으로 접하는 몇 가지 아날로그 신호 시나리오에 대한 적용을 설명하는 것입니다.

OPAMP에 익숙하지 않은 경우 연산 증폭기(OPAMP)는 증폭, 필터링, 미분 및 적분과 같은 수학적 연산과 같은 광범위한 아날로그 신호 처리 응용 분야에 매우 유용한 능동 전자 부품입니다. OPAMP에는 "반전" 입력("-"로 표시됨), "비반전" 입력("+"로 표시됨) 및 출력의 세 가지 단자가 있습니다. 또한 OPAMP에는 양극(±Vsupply) 또는 단면(+Vsupply 및 접지)일 수 있는 두 개의 전원 연결("레일"이라고도 함)이 있습니다.

OPAMP의 내부 설계는 매우 정교할 수 있지만, 일반적으로 세부 사양에 대한 우려가 거의 없는 "블랙박스"로 사용할 수 있는 특정 이상화된 특성을 갖도록 제작됩니다. 특히, OPAMP는 아날로그 신호 처리에 매우 유용한 두 가지 "황금률"을 충족하도록 설계되었습니다: (1) 출력에서 반전("네거티브") 입력으로의 피드백이 있는 경우 OPAMP는 입력 간의 전압 차이가 0이 되도록 출력을 설정하고 (2) 입력은 전류를 소비하지 않습니다. 이러한 이상화된 OPAMP 특성의 장점은 즉시 명확하지 않을 수 있지만  아날로그 신호에 버퍼링, 증폭 및 전압 오프셋을 제공하는 데 사용할 수 있는 방법을 보여줍니다.

 

공급

Arduino UNO R4(OPAMP 내장 포함) 외에도 신호 발생기(OPAMP 구동용), 오실로스코프(OPAMP의 출력 관찰용), 브레드보드(일부 외부 회로 구성용) 및 다양한 저항이 필요합니다. 차동 증폭기 회로의 경우 기준 전압을 제공하기 위해 벤치 전원 공급 장치(표시되지 않음)도 필요합니다. 마지막으로, 이 Instructable의 회로를 시뮬레이션하려면 CircuitLab 계정 또는 이와 동등한 것이 있으면 유용할 것입니다.

R4의 온보드 DAC(Digital-to-Analog Converter)를 신호 소스로 사용하고 온보드 ADC(Analog-to-Digital Converter)를 사용하여 OPAMP의 출력을 캡처할 수 있지만 별도의 신호 발생기와 오실로스코프를 사용하면 자체 프로젝트에서 이해하는 데 중요한 OPAMP 동작의 한계를 더 쉽게 관찰할 수 있습니다. 즉, 실제 프로젝트에서는 R4의 온보드 DAC가 신호 생성 요구 사항(있는 경우)에 적합할 수 있으며, 마찬가지로 온보드 ADC도 OPAMP의 출력을 측정하는 데 적합할 수 있습니다. 사실, R4의 OPAMP를 사용하는 가장 일반적인 방법은 아날로그 신호(일반적으로 센서에서)를 "컨디셔닝"하여 OPAMP의 출력이 측정을 위해 온보드 ADC에 연결할 수 있는 0-5V 입력 범위와 완벽하게 일치하도록 하는 것입니다.

1단계: 신호 발생기 및 오실로스코프 설정

신호 발생기 및 오실로스코프를 설정하는 방법에 대한 세부 사항은 특정 장비에 따라 다르지만 OPAMP 회로 구축을 시작하기 전에 고려해야 할 몇 가지 일반적인 항목이 있습니다. 신호 생성과 관련하여 파형(사인파, 톱니 등)을 선택하고 진폭, 주파수 및 오프셋과 같은 파형 파라미터를 지정하는 방법을 잘 알고 있어야 합니다. 측정과 관련하여 신호를 오실로스코프 입력 채널에 연결하는 방법과 수직(전압) 분해능, 수평(시간) 분해능 및 트리거 레벨과 같은 채널 설정을 구성하는 방법에 대해 잘 알고 있어야 합니다.

이 Instructable을 위해 첫 번째 그림과 같이 벤치를 설정했습니다. 맨 왼쪽은 차동 증폭기 회로에만 사용되는 벤치 전원 공급 장치입니다. 중앙에는 신호 발생기가 내장된 오실로스코프(Rigol DS1104Z-S Plus)가 있습니다. 오실로스코프의 채널 1에 OPAMP의 출력을 측정하기 위한 1X 패시브 프로브를 부착했습니다. 스코프 뒤쪽에 있는 신호 발생기의 출력을 분할하고 한쪽 다리를 벤치 작업 영역의 왼쪽 중앙에 표시된 큰 악어 클립에 연결하고 다른 쪽 다리를 스코프의 채널 2에 연결했습니다(따라서 채널 1의 OPAMP 출력과 함께 기준 신호로 표시할 수 있음). 진폭이 1V 피크 투 피크(±0.5V), 주파수가 1kHz, 오프셋이 +0.5V인 사인파를 출력하도록 신호 발생기를 구성했습니다(신호가 음수가 되지 않도록). 이 구성에 대한 범위 캡처는 두 번째 그림에 나와 있습니다. 마지막으로 벤치 작업 영역의 맨 오른쪽에 표시된 전원 리드는 Arduino용 9V 전원입니다.

2단계: UNO R4 OPAMP 사양

R4 치트 시트에서 내장 OPAMP가 R4 헤더의 핀 A1 ( "+"비 반전 입력), A2 ( "-"반전 입력) 및 A3 (출력)에 노출되어 있음을 알 수 있으며 R4 OPAMP 자습서에서이 최소 스케치에서와 같이 OPAMP.h 라이브러리에서 OPAMP.begin(speed) 함수를 호출하여 OPAMP가 활성화된다는 것을 알 수 있습니다 (여기서 속도는 다른 성능 특성과 전력 소비로 HIGH 또는 LOW가 될 수 있음) ...

#include <OPAMP.h>

void setup () {
 OPAMP.begin(OPAMP_SPEED_HIGHSPEED);
}

void loop() {}

 

R4 치트 시트에서 온보드 OPAMP가 해당 보드의 Renesas RA4M1 프로세서에 의해 제공된다는 것도 알 수 있습니다. 일반적으로 RA4M1의 OPAMP는 이상적인 OPAMP로 취급될 수 있지만, OPAMP의 출력 전압 범위라는 구현별 세부 사항을 알아야 합니다. 이 정보는 Renesas RA4M1 하드웨어 설명서, 특히 48.14페이지의 섹션 1394에 있는 OPAMP 전기적 특성(긴 설명서입니다!). 거기에서 RA4M1의 OPAMP 출력 전압 범위는 0.1에서 (AVCC0-0.1)이며, 여기서 AVCC0은 칩의 아날로그 전원 공급 장치 전압이며, R4의 회로도에서 UNO R4의 +5V입니다. CircuitLab에서 OPAMP를 하이 레일에서 AVCC0 = +5V로, 접지에 연결된 로우 레일(바이폴라 구성에서는 -5V와 반대)로 단면으로 처리하여 이 출력 범위를 모델링할 수 있습니다. OPAMP는 레일을 넘어 전압을 출력할 수 없기 때문에 예상되는 아날로그 입력 범위에 대해 +5V 이상 또는 0V 미만을 출력하도록 OPAMP를 구성하지 않도록 하는 것이 중요합니다. 이 출력 범위를 유지하기 위해 OPAMP 회로를 설계하고 가능한 한 많이 사용하는 것이 이 Instructable의 대부분을 구성합니다.

 

3단계: 전압 팔로워

가장 간단한 OPAMP 회로는 겸손한 전압 추종자입니다. 이 회로에서 신호(Vin)는 첫 번째 그림과 같이 비반전(+) 입력에 연결되고 출력은 반전(-) 입력에 연결됩니다. 출력과 반전 입력 사이의 "네거티브 피드백" 연결은 OPAMP가 해당 입력의 전압을 제어할 수 있는 기능을 제공합니다. OPAMP의 첫 번째 황금률은 네거티브 피드백이 있는 경우 OPAMP가 출력을 구동하여 입력 간의 전압 차이가 0이 되도록 한다는 것을 기억하면 출력이 비반전 입력과 같거나 "따르게" 되어 두 입력이 동일하다는 것을 의미합니다. 1V 피크 투 피크(±0.5V) 사인파 입력의 경우, 네거티브가 되지 않도록 +0.5V로 오프셋된 전압 팔로워 출력의 CircuitLab 시뮬레이션이 두 번째 그림에 제공됩니다(출력 신호가 바로 위에 있는 입력 신호와 함께). R4의 OPAMP 출력 범위는 단면(0-5V)이기 때문에 입력 신호가 해당 범위를 벗어난 출력을 구동하려고 시도하지 않도록 해야 합니다(예: ±0.5V 사인파에 +0.5V 오프셋을 제공하지 않은 경우, OPAMP가 접지 레일 아래에서 출력을 구동할 수 없기 때문에 전압 팔로워는 사인파의 음의 절반을 "클리핑"합니다.

UNO R4에 연결된 브레드 기판에서 이 회로를 구현한 것이 세 번째 그림에 나와 있습니다. R4의 OPAMP 핀, 신호 발생기에 연결된 앨리게이터 클립, 오실로스코프에 연결된 패시브 프로브에 대한 연결을 확인합니다. 이 회로에는 추가 구성 요소가 필요하지 않으므로 브레드 기판의 점퍼 와이어로 모든 연결을 수행할 수 있습니다. OPAMP 출력의 스코프 캡처는 OPAMP의 출력(노란색) 위에 원래 신호(파란색)를 약간 오프셋하여 동시에 볼 수 있도록 네 번째 그림에 나와 있습니다. 실제 출력은 시뮬레이션과 잘 일치하지만 출력 정현파의 평평한 바닥으로 표시된 것처럼 저점에서 약간 "잘린" 것을 볼 수 있습니다. 이는 OPAMP가 지면에 있는 하부 레일에 너무 가깝게 주행하려고 하기 때문에 발생합니다. OPAMP가 상부 레일에 너무 가깝게 주행하려고 할 때 다음 예에서 동일한 효과를 관찰할 수 있습니다. 이러한 이유로 출력이 OPAMP의 레일에 너무 가까워지지 않도록 증폭기 회로를 설계하는 것이 좋습니다.

언뜻 보기에 이 회로는 쓸모가 없을 정도로 사소해 보일 수 있습니다. 그러나 OPAMP의 두 번째 황금률에 따르면 입력은 전류를 소비하지 않는다는 것을 기억하면 전압 팔로워가 신호 소스를 다른 다운스트림 전자 장치와 분리할 수 있는 좋은 방법이라는 것을 의미합니다. 추가 전자 장치는 신호 소스에서 "부하"(전류 소모)처럼 작동할 수 있기 때문에 신호가 "처짐"(감소된 전압)을 유발할 수 있으며, 이로 인해 원하는 입력 신호의 측정이 손상될 수 있습니다. 신호 소스와 나머지 전자 장치 사이에 고임피던스 입력이 있는 전압 추종자를 삽입하면 다운스트림 부하가 신호 소스 대신 OPAMP의 전원 공급 장치에서 전류를 끌어오므로 결과적으로 입력 신호가 깨끗한 상태로 유지됩니다. 이러한 종류의 전기 절연을 "버퍼링"이라고 하며, 전압 팔로워는 1("유니티")과 같은 "게인" 또는 증폭비(Vout/Vin)를 가지기 때문에 전압 팔로워는 때때로 훨씬 더 멋진 소리의 "유니티 게인 버퍼"라고도 합니다.

4단계: 비반전 증폭기

전압 팔로워는 "비반전 증폭기"로 알려진 보다 일반적인 OPAMP 회로의 특별한 경우입니다. 이 회로에서 신호는 다시 비반전(+) 입력에 연결되지만 이제 반전 입력(-)은 첫 번째 그림과 같이 입력 저항 R-을 통해 접지에 연결되고 피드백 저항 Rf를 통해 출력에 연결됩니다. 전압 팔로워의 경우 OPAMP의 첫 번째 황금률은 입력의 전압이 동일하도록 출력이 구동된다는 것을 알려주기 때문에 반전 입력의 전압은 비반전 입력 Vin의 신호와 같아야 한다는 것을 알고 있습니다. 이를 감안할 때 옴의 법칙은 입력 저항 I-를 통과하는 전류가 입력 저항 V- = Vin을 저항 값 R-로 나눈 값과 입력 저항 양단의 전압과 같아야 함을 알려줍니다. 또한 OPAMP의 두 번째 황금률은 입력이 전류를 소비하지 않는다는 것을 알려줍니다. 따라서 입력 저항을 통해 흐르는 모든 전류는 OPAMP의 출력에서 나와야 하며, 이는 모두 피드백 저항을 통해 실행되어야 함을 의미합니다. 옴의 법칙을 다시 사용하면 피드백 저항 Vf = Vout - Vin의 전압 강하가 피드백 저항 값 Rf를 곱한 전류 I- = Vin / R-과 같아야 함을 알 수 있습니다. 입력에 대한 출력의 비율에 대해 이 표현식을 풀면 Vout / Vin = 1 + (Rf / R-)이 됩니다. 이것은 비반전 증폭기에 대한 "게인" 방정식이며 항상 1보다 크거나 같다는 점은 주목할 가치가 있습니다(즉, 입력 신호를 감쇠하는 데 사용할 수 없음). 또한 G=1인 경우는 Rf=0이고 R-=∞일 때 실현되는데, 이는 이전 섹션에서 살펴본 전압 팔로워와 동일합니다.

이 회로의 일반적인 Arduino 응용 프로그램은 0에서 (상당히) 5V 미만의 범위에 있는 신호를 증폭하는 것입니다. R4의 온보드 ADC(입력 범위가 0-5V임)로 이미 이러한 신호를 읽을 수 있지만, 디지털 출력 레벨의 수가 인코더의 비트 심도에 의해 고정되기 때문에 전체 입력 범위를 사용하지 않으면 감도를 포기하게 됩니다(기본적으로 8비트 = 256 출력 레벨, R4에서 최대 12비트 = 4096 출력 레벨). G = 1+(Rf/R-)이므로 R1 ADC의 0-5V 입력 범위를 채우기 위해 5V 신호를 4배(5x) 증폭하려면 (Rf/R-) = G-1 = 4가 필요합니다. 표준 저항은 특정 값으로만 제공되기 때문에 이 계산기는 특정 비율에 적합한 값을 선택하는 데 도움이 될 수 있습니다. 두 개의 표준 저항만으로는 (Rf/R-) = 4를 정확히 얻을 수 없지만 비율이 0.61/33인 모든 저항 쌍에서는 꽤 가까운(8.2%) 얻을 수 있습니다. OPAMP로 작업할 때는 더 큰 저항을 사용하여 실수로 두 입력 중 하나의 임피던스를 OPAMP의 기능을 손상시키는 정도로 줄이지 않도록 하는 것이 좋습니다. 이 응용 분야에서는 첫 번째 그림과 같이 Rf = 3.3MΩ 및 R- = 820kΩ을 선택하여 원하는 이득 5를 달성했습니다. 이전 섹션에서 사용한 +0.5V 바이어스를 갖는 동일한 ±0.5V 사인파의 경우, 두 번째 그림에는 비반전 증폭기 출력의 CircuitLab 시뮬레이션이 제공됩니다. 예상대로 0-1V 입력 신호는 온보드 ADC로 측정할 수 있는 0-5V 범위를 채우기 위해 5로 증폭됩니다. UNO R4에 연결된 브레드 기판에서 이 회로를 구현한 것이 세 번째 그림에 나와 있습니다. 마지막으로, OPAMP 출력의 스코프 캡처가 네 번째 그림에 나와 있으며, 보시다시피 시뮬레이션 결과와 잘 일치합니다.

 

5단계: 차동 증폭기

불행히도 야생의 신호는 종종 우리가 원하는 것보다 작을 뿐만 아니라 지면에서 상쇄되기도 합니다. 이러한 신호를 증폭하여 가장 높은 값이 ADC에 대한 입력의 상한보다 낮도록 할 수 있지만 가장 낮은 값의 오프셋도 마찬가지로 증폭되어 ADC 입력 범위의 상당 부분이 사용되지 않습니다. 예를 들어, 이전 섹션에서 사용된 ±0.5V 사인파가 +2V로 오프셋된 경우 가장 높은 값은 이제 +2.5V가 되며, ADC 입력의 +5V 상한에 도달하기 전에 2로만 증폭할 수 있습니다. 그러나 사인파의 가장 낮은 값은 이제 +1.5V가 되며, 유사하게 2로 증폭되면 ADC 입력 범위의 하위 3V에 신호가 비어 있습니다. 차동 증폭기는 입력 신호에서 효과적으로 차감되는 기준 신호를 제공함으로써 OPAMP의 출력 범위를 완전히 사용하여 다운스트림 전자 장치(ADC를 포함하되 이에 국한되지 않음)의 입력 요구 사항에 가장 잘 부합하도록 증폭 전에 원치 않는 오프셋을 제거할 수 있는 기능을 제공합니다.

첫 번째 그림의 회로를 고려하십시오. 입력이 전류를 소비하지 않는다는 것을 알고 있기 때문에(두 번째 황금률) 비반전(+) 입력에 연결된 두 개의 저항은 V+ = Vin • Rg / (Rg + R+)가 되도록 접지에 대한 간단한 전압 분배기를 형성합니다. 같은 이유로(입력은 전류를 소비하지 않음) 피드백 저항을 통과하는 전류인 If = (Vout - V-) / R-은 전압 기준 Iref = -(Vref - V-) / R-에서 끌어온 전류와 같아야 합니다. 마지막으로, 입력이 동일하다는 것도 알고 있기 때문에(첫 번째 황금률) 이러한 전류 간의 동등성에서 V-를 입력 전압 분배기의 V+에 대한 식으로 대체하고 Vout을 구할 수 있습니다. Vout의 일반적인 형태는 복잡하지만 Rg = Rf 및 R+ = R- = Rin이면 Vout = Rf / Rin • (Vin - Vref)로 단순화됩니다. 이것이 바로 우리가 차동 증폭기에서 원하는 것입니다 - 증폭은 단순히 입력 저항에 대한 피드백의 비율로 정의되고 Vref는 증폭 전에 Vin에서 뺍니다.

차동 증폭기 이득 G = Rf / Rin은 비 반전 증폭기에 대한 이득 방정식에서 "+ 1"항이 누락되어 있습니다. 따라서 5Vpp 사인파가 ADC의 5V 입력 범위를 채우도록 여전히 1의 이득을 원한다면 이제 680kΩ 입력 저항만 필요합니다. 또한 0-5V 범위에 맞추려면 +1.5V 입력 신호 오프셋에서 제거할 수 있는 +2V 기준을 제공해야 합니다(신호가 음수가 되지 않도록 하는 데 필요한 +0.5V 오프셋은 남겨두기). 이 회로의 시뮬레이션은 두 번째 그림에 설명되어 있고, 브레드보드 구현은 세 번째 그림에 나와 있으며, 스코프 캡처는 네 번째 그림에 나와 있습니다.

보시다시피 차동 증폭기는 2V±0.5V 입력을 OPAMP의 전체 0-5V 출력에 깔끔하게 매핑하며, 이는 편리하지만 우연은 아니지만 ADC의 0-5V 입력 범위와 일치합니다. 일반적으로 OPAMP의 출력을 레일에 너무 가깝게 밀지 않도록 오프셋을 조금 덜 제거하고 게인을 조금 더 적게 구동합니다. Renesas RA4M1 하드웨어 매뉴얼에 따르면 AVCC100 = +0V 미만과 지상 모두에서 최소 5mV여야 합니다. 그러나 이 예에서는 출력이 상부 레일과 하부 레일 모두에 매우 가까우면서도 출력이 얼마나 깨끗한지 확인할 수 있습니다. 0이 아닌 오프셋이 큰 작은(<1Vpp) 신호가 얼마나 흔한지를 감안할 때 차동 증폭기는 ADC를 통한 판독 및/또는 추가 처리를 위해 신호를 컨디셔닝하는 데 적합한 회로입니다.

 

이전의 모든 회로는 들어오는 신호를 비반전 입력에 연결했지만 첫 번째 그림과 같이 반전 입력을 사용하여 유용한 증폭기를 구성할 수도 있습니다. 항상 그렇듯이 피드백 루프 및 관련 저항은 반전 입력에 연결되어야 하지만 이제 신호는 입력 저항을 통해 반전 입력에 연결되고 비반전 입력은 접지에 연결됩니다. 입력이 동일하다는 것을 알고 있기 때문에(첫 번째 황금률), 두 저항을 반전 입력에 연결하는 "합산점"도 접지 전위에 있어야 한다는 것을 알고 있습니다 – 접지에 대한 진정한 연결을 통해서가 아니라 합산점에서 "가상 접지"를 생성하는 두 저항을 통한 전류 균형에 의해서. 입력은 전류를 소비하지 않기 때문에(두 번째 황금률) 두 저항은 Vin이 "상단"에, Vout이 "하단"에 있고 가상 접지 합산점이 중간에 있는 간단한 전압 분배기를 형성합니다. 이득 방정식을 풀기 전에도 Vout이 Vin에 대해 접지의 반대쪽에 있어야 한다는 것을 알 수 있습니다 – 즉, 출력은 입력에 대해 부호로 반전됩니다(입력이 양수일 때 음수이고 그 반대의 경우도 마찬가지). 피드백 저항 If = -Vout / Rf를 통과하는 전류를 입력 저항 I- = Vin / R-을 통과하는 전류와 동일시함으로써(다시 말하지만, 부호에 주의하십시오) 이 "반전 증폭기"의 이득이 G = -Rf / Rin이고 음의 부호는 예상대로 출력이 입력에 대해 반전되었음을 나타냅니다. 차동 증폭기와 마찬가지로 이 회로의 이득은 1보다 작을 수 있으며, 이는 OPAMP가 증폭기가 아닌 감쇠기 역할을 한다는 것을 의미합니다. 이는 특히 OPAMP의 고임피던스 입력이 제공하는 버퍼링을 고려할 때 유용할 수 있지만 실제로는 까다로울 수 있습니다.

첫 번째 그림에 표시된 저항 값의 경우 이 반전 증폭기는 G = -3.3MΩ / 330kΩ = -10의 이득을 가져야 합니다. 그러나 ±0.5Vpp 입력 사인파에 대해 단면 OPAMP로 이 회로를 시뮬레이션할 때, 이번에는 오프셋 없이(포지티브 및 네거티브 성분이 모두 포함됨) 두 번째 그림과 같이 입력이 양수일 때마다 출력이 접지로 클리핑되는 것을 볼 수 있습니다. 이는 반전 증폭기가 양의 입력 신호를 수신할 때 OPAMP가 접지 레일 아래로 출력을 구동할 수 없기 때문입니다. 그러나 적어도 시뮬레이션에서 OPAMP는 음의 입력을 수신할 때 양의 출력을 행복하게 구동하며, 신호의 이 부분에 대해 예상되는 10배 증폭 이득을 나타냅니다.

Renesas RA4M1 하드웨어 매뉴얼을 다시 참조하면 OPAMP의 입력 범위도 단면(약 0-5V)으로 지정되어 있음을 알 수 있습니다. 이러한 이유로, OPAMP는 접지 아래에서 출력을 구동할 수 없기 때문에 R4의 OPAMP를 사용하여 반전 증폭기에 음의 신호를 적용하면 입력이 양수일 때 0이 되어야 하는 출력이 생성되는지 확신할 수 없었고, 입력이 음수일 때 OPAMP의 지정된 입력 범위를 벗어났기 때문에 0이 될 수 있습니다. 그러나 세 번째 사진에 표시된 회로를 연결했을 때 다음 스코프 캡처에 표시된 출력이 시뮬레이션과 잘 일치하는 것을 관찰했습니다(출력이 상단 레일에 너무 가까워지면 약간의 클리핑이 있음). 이러한 방식으로 OPAMP를 사용하는 것은 권장하지 않지만, 제조업체의 사양을 벗어나 작동하면 부품이 손상될 수 있으므로 OPAMP의 출력에 대한 한계를 명확하게 보여줍니다. R4의 OPAMP는 음의 입력을 수신하도록 지정되지 않았고 음의 출력을 구동할 수 없기 때문에 일반적으로 반전 증폭기 구성에서 사용하지 않는 것이 좋습니다.

7단계: 추가 학습을 위한 자료

 본문에 링크된 소스 외에도 OPAMP 및 해당 응용 프로그램에 대해 자세히 알아볼 수 있는 훌륭한 온라인 리소스가 많이 있습니다.

공식 R4 OPAMP 튜토리얼에 언급된 전자 튜토리얼은 특히 좋습니다. ElectronicsHub 및 All About Circuits의 자료도 좋습니다. 그들은 모두 기본 증폭기 이상의 OPAMP 회로를 가지고 있습니다.amp 이 Instructable의 amp레.

모든 주요 부품 제조업체는 보다 기술적인 경향이 있지만 실제 장치의 장점과 단점을 강조하는 자체 개요를 가지고 있습니다. 다음은 시작하는 데 도움이 되는 Texas Instruments, Analog Devices 및 Monolithic Power Systems의 몇 가지 자료입니다.

구체적인 질문이 생기기 시작하면 electronics.stackexchange.com 훌륭한 리소스가 될 수 있지만 먼저 무엇을 하고 있는지 조금 아는 것이 도움이 됩니다.