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회로도에서 LT1115는 차동 증폭기로 Tayloe mixer의 출력을 받아서 증폭시켜 주고 있습니다.
LT1115는 Low-noise용으로 AD797과 맞먹는 스펙을 갖고 있더군요.
Tayloe mixer의 각각의 출력단자에서 출력전압이 같다고 생각하는데
여기서, 차동 증폭 회로가 합당한가? 의문이 생깁니다.
그래서 아래의 instrumentation amp(계측용 앰프) 회로에 마음이 자꾸 끌립니다.
차동증폭기가 동일한 입력전압을 합칠 때도 사용할 수 있나요??
차동 증폭회로의 기본개념과 용도를 알고 싶습니다.
답):
Balanced 구조는 양쪽의 출력은 같지만 각각의 위상이 다릅니다.
보시면 360도에서 4개 나뉘어서, 4개의 역위상을 걸어 최종적으로 2개의 위상이 다른 시그널을 만들어내죠
전송 라인에 노이즈 유입을 방지하는 사거리를 늘려줍니다. ^^
3253칩에서 1115까지의 거리를 내부 회로가 아닌 외부로도 확장시킬 수 있습니다.
나중에 정위상과 역위상을 합해서 노이즈를 제거하죠.
instrumnets amp는 히스테리시를 이용한 밸런스 고증폭 앰프이고,
밸런스 디텍터의 증폭는 별도로 위상의 합을 구하는 밸런스 라인 리시버의 구조입니다.
주로 instruments amp는 마이크 프리부나 고증폭부에 많이 이용되고,
위의 회로에서 보이는 밸런스 디텍터는 밸런스 라인 입력단에 활용됩니다.
주 역할은 밸런스 입력을 받아, 가변 증폭하는 프리부와 밸런스 입력을 받는 것은 고정 증폭부의 차이입니다.
위상과 역위상이 같은 주파수로 차동 증폭기에 입력되면
해당 주파수 레벨에 간섭된 노이즈는 레벨이 비교되어 소멸 됩니다. (노이즈 캔슬링)
*정석님 말씀이 맞습니다. 2개의 역위상을 만들어 내죠..
0도와 180도 출력이 차동증폭에서 합쳐지면 노이즈가 많이 줄어들까요?
어느정도 노이즈가 저감되는지요?
계측용 앰프는 3개의 앰프로 된 회로가 op-amp책 어디에나 나와 있었습니다.
단일 소자 INA103 같은 IC도 보이던데 노이즈레벨이 조금 높게 나옵니다.
그래서..이 테일러 디텍터 회로를 개발한 테일러 자신조차 "계측용 앰프"사용을 주저하고 있었습니다.
제가 "계측용 앰프"에 주목하는 이유는 차동증폭보다 CMRR도 높고 입력임피던스가 높다고 알고 있습니다.
테일러 믹서의 insert loss는 -0.9db정도입니다.
그런데 아래 회로를 만든 핀란드의 OH7SV는 계측결과 삽입손실이 -0.9db 아니라 +6db이라는 결과를 발표해 놓았습니다.
아직 e-mail 보내지 못해 자세한 사항을 못 물어 봤습니다만.. 정말 + 플러스값을 낼 수 있을까 의문이 듭니다.
답변하신 내용중에 "주 역활은 밸런스 입력을 받아 가변 증폭하는 프리부와 밸런스 입력을 받는것는 고정 증폭부의 차이입니다."
이 말이 이해가 안되는데 부가 설명 좀 해주실 수 있는지요?
재질문):
부가 설명을 올리겠습니다.
3253은 CD4052의 향상된 소자로서 De-multiplexer로 동작하더군요.
테일러 믹서는 여기서 다양한 역할을 합니다.
1, FET Switch- 2.5v 바이어스 전압이 들어가기..
2, BPF 역할 -통과 주파수 대역을 좁힌다- 예)BW -2KHz ... 그러니까.. R-C회로로 동작하여 C1 0.27uF 의 크기에 따라 주파수대역 결정..
3, Sample and hold 역할
4, Switched integrator(적분기)..
회로도에서 LT1115은 첫번째 프리앰프부분이라 중요한 위치에 서 있습니다.
"감도와 노이즈"가 여기서 결정나거든요.. 그래서 신경을 많이 쓰고 있습니다.
보통 게인은 30~40db로 설정합니다.
답변):
3개의 OP-AMP로 이뤄진 구조는 리니어 테크놀러지의 애플리케이션 노트에 있는 겁니다 ^^
저 구조의 중간에 OP-AMP가 또 피드백 되는 구조고,
오프셋 에러 방지를 위해 보상을 하는 구조입니다.
CMRR은 높아도, (역 보상 문제로 인해) 입력 임피던스는 노이즈 차트에 의한 OP-AMP 스펙에 따른 노이즈 특성이 좌우됩니다.
장점은 있어도 소자의 특성 때문에 임피던스의 크기가 노이즈 특성을 생각하면 무한정일수는 없지요 ^^
밸런스의 출력의 노이즈 저감은 LT1115를 거쳐 갈 때 발생하는 불특정한 노이즈를 줄이는데 많은 영향을 줍니다.
환경마다 다르기 때문에 (모든 OP-AMP들의 컨디션이 일정하지 않아서) 직접 테스트 해 보는 수 밖에는 없습니다.
규호님이 의문이신 부분은 차동 증폭 모드에서 밸런스 입력을 부수적으로 하고, 회로 특성이 증폭 구조에 최적화 되어 있는 경우와 증폭 특성을 포기하고 차동 입력을 받는 주된 모드를 설명하려다 손가락이 꼬였네요 ^^
제가 보기엔 instruments보다는 기존의 타입이 더 간략해서 나아 보이고, 기존 타입으로도 충분한 성능을 얻을 수 있습니다
재질문):
친절한 답변 감사합니다.
외국햄이 그려 놓은 회로도를 이것저것 보니..
한 부류는 "차동 증폭" 그냥 쓰는 사람들이 있고..
한 부류는 "계측 증폭"를 선호하는 사람이 있었습니다.
어느쪽이 우월한가는 님 말씀처럼 실험해 보는 수 밖에 없겠죠^^
2개로 나눠서 기판을 만들려고 합니다. 한쪽은 차동, 다른 건 계측..
3개짜리 계측앰프는 정말 리니어 테크놀러지 app에 나와 있죠..
질문을 나눠서 다시 드려볼게요.
1,차동 증폭으로 노이즈가 절감이 많이 되는지요?
2,"주 역할은 밸런스 입력을 받아 가변 증폭하는 프리부와 밸런스 입력을 받는것는 고정 증폭부의 차이입니다."
이 부분 쉽게 설명 부탁드립니다.
3, 차동증폭회로는 비반전+ 단자와 반전- 단자, 두 입력단자에 퍼펙트한 balanced input방식은 아니라고 봅니다.
오히려 아래 "계측앰프"가 보다 나은 밸런스 입력 방식으로 봅니다.(입력 임피던스가 높은 쪽이 낫지 않을까요..)
답):
1. 주변 상황이 최악일 경우 최대 -6dBu까지는 효과를 봅니다. ^^
노이즈 특성이 나쁜 환경이나 특성이 나쁜 디바이스를 사용하는 경우에는 절대적이구요
항상 최악의 경우를 상정하고 풀어나가기 때문에 "항상" 이라는 단어는 적합하진 않군요 ^^
2. 밸런스 증폭 회로와 밸런스 입력을 받는 리시버 회로의 차이는 한가지에 있습니다.
증폭 회로에 최적화되어 2개의 다른 위상 증폭을 하면 증폭기 컨디션에 의해 나오는 불규칙한 노이즈가 있습니다.
이것을 instrumnets amp 후단에 있는 차동 입력단에 넣으면 증폭 과정에 발생하는 노이즈를 제거할 수 있도록 초단에 구조화시킨 것이 instruments amp입니다.
대다수의 애플리케이션 ic들이 instruments amp 구성을 갖추고 있죠.
두가지 유형의 회로를 압축하면 instruments amp는 밸런스 입력을 받아 증폭하는 프리단이고, 밸런스 라인 리시버는 밸런스 입력을 받아 노이즈 캔슬링을 하는 작용을 합니다.
다수의 경우에도 밸런스 증폭 회로 후 라인 리시버로 노이즈 캔슬링을 하도록 절대적인 권장하고 있습니다.
3. instruments의 구성에서 입력 임피던스가 높다고 하지만 사실은 초단이 트랜지스터일 경우엔 입력 임피던스는 종전과 같습니다.
임피던스를 높게 받으면 초단의 노이즈 특성이 나빠집니다.
회로를 OP-AMP까지 디스크릿으로 풀어보시면 instruments 구성이라도 기존과 큰 차이가 없습니다.
입력 임피던스가 큰 경우는 버퍼 플로어 구성의 instrumnets 구성일때 입력 임피던스를 크게 받을 수 있습니다.
초단이 트랜지스터 타입일때 입력 임피던스가 커지면 노이즈 특성이 현저히 떨어집니다.
op-amp의 경우 스펙상 입력 임피던스의 최적화에 대해 기술하고 있진 않습니다만, 입력 임피던스는 2k2~5k1사이에서 노이즈 특성이 좋아진다고 합니다.
라인 리시버 구성일때는 증폭도 가능하지만, 구조상 정밀적인 문제 결함으로 한계가 있습니다.
그래서 리시버 게인을 고정으로 세팅하게 되는데, 증폭을 하지 않는다고 상정 했을때 회로가 구성이 간단해지고 instruments amp 구조의 초단인 차동 증폭단이 제거되어 증폭이 되지 않는 상황에서는 똑같은 결과를 얻게 됩니다.
해당 구성은 라인 리시버 구조인데, instruments 구조라면 회로 부피만 커지게 되죠 ^^
op-amp들은 instruments 구조가 아니더라도 보정을 통해 정밀한 CMRR을 얻을 수 있고 instruments amp도 이론과는 다르게 CMRR 보상이 별도로 이뤄져야 합니다.
회로를 보면 이미 1차적인 차동 증폭이 적용되어 있는데, 차동 증폭을 2단이나 거쳐 놓을 필요는 없습니다.
구조가 좋아도 불필요하다면 빼버리는것이 유리합니다. (여러번 거치면 잡음을 유발합니다)
구동 회로는 최대한 심플해야 하거든요 ^^
저는 instrumets amp를 많이 사용하는데 초단에 초저잡음 디스크릿 적용이 아닌 순수 op-amp만으로는 기대 이하입니다.
추가로 회로들을 살펴보시면 밸런스 입력단에 instrumets를 사용하는 경우는 1000배 (60dB 증폭) ~ 10000배 (80dB) 증폭 분야 외에는 쓰지 않습니다. ^^
위 회로의 구조는 instruments 구조의 응용 선상에 있는 라인 리시버를 차동 증폭단으로 활용하고, 회로에는 나와 있지 않지만 다음 회로 부분에서 라인 리시버를 통해 밸런스 입력을 받는 구조입니다.
instrumets를 2단이나 쌓을 필요는 없습니다.
40dB 증폭 (100배)는 NJM2068를 이용한 일반적인 라인 리시버로도 -120dBu의 감도로 증폭 합니다.
LT1115는 노이즈 플로어가 0.9nV/r, NJM2068은 2.5nV/r 입니다.
답변):
40dB 증폭하고도 감도가 -120dBu의 노이즈 레벨 분포를 가지면 엄청 대단한거죠 ^^
물론 입력 노이즈가 거의 없다는 전체하의 스펙상입니다만 증폭기 자체 노이즈가 100배 정도 증폭되죠.
게인이 1일때 -120dBu는 암것도 아닌데, 게인이 100일때 -120dBu (a wigth) 면 엄청난 수치입니다.
그리고 제가 적은 2.5nV/r은 뒤에 root가 붙는 노이즈 표기법입니다.
전압으로 측정하는 노이즈 레벨이 아니구요 ^^
트랜지스터는 노이즈 특성이 컬렉터에 걸리는 전류와 입력 임피던스의 관계에 따라 자체 노이즈 특성이 변합니다.
그래서 instruments amp 구조라도 고임피던스를 받으면 그만큼 불리해집니다. ^^
NE5534가 3.3nV/r, NE5532가 5nV/r 입니다.
반도체로 구현할수 있는 감도는 현재론 -144dBu 밖에 안되요 ^^