QUCS Transient Opamp 발진기QUCS Transient Opamp 발진기

QUCS Transient Analysis - OpAmp Multivibrator 

QUCS 에서 Transient SImulation 을 사용하여 OpAmp 발진 회로를 해석 하는 방법과 주의 사항

을 소개합니다. 

QUCS 사용 방법 관련 포스트에서는 자세한 회로 설명은 생략하고, QUCS 시뮬레이션 하는 방법을 주로 다룹니다. 회로 설명 및 설계 방법은 QUCS 사용법에 대한 포스트를 마무리 하고 다룰 예정입니다.


회로 소개 및 설명

아래 그림은 OpAmp 를 사용한 멀티바이브레이터(Multivibrator) 회로입니다. 아래의 발진 회로가 발진이 되는 과정을 알기 위해 QUCS 의 Transient SImulation 을 사용해 보겠습니다.

OpAmp Multivibrator 회로OpAmp Multivibrator 회로

위 회로는 C1 에 전압이 충전, 방전되는 전압이 Opamp +단자의 전압 보다 높아지는 경우, 낮아지는 경우에 따라 출력이 LOW 또는 HIGH 로 변경되어 Opamp의 출력으로 구형파가 출력됩니다.


QUCS 회로도 작성

QUCS 를 사용하여 우측 그림과 같이 회로도를 작성합니다. 

위의 OpAmp 발진 회로를 해석하기 위해 왼쪽과 같은 회로도를 그려야겠다고 생각 할 수 있지만, 왼쪽과 같이 회로도를 그리는 경우 해석이 정상적으로 되지 않습니다. 정상적인 결과를 얻기 위해 우측의 빨간색 전원과 스위치의 회로가 추가 되어야 합니다.

실제 아래의 회로를 구성하는 경우 Opamp 입출력 단은 0V가 아니라, 아주 작은 전압이 존재합니다. Opamp 는 이득이 커서 V+, V- 의 입력 단자의 작은 차이에도 Vout 이 HIGH(VCC) 또는 LOW(VEE) 로 향하게 됩니다. (제 추측입니다.)하지만, QUCS 에서 왼쪽 회로와 같이 이상적인 OPAMP 를 사용한 경우 초기에도 Vn, Vp의 전압 차이가 없고, Vout 도 초기값이 0상태로 존재하는 것으로 보입니다. 그래서 아무런 해석이 되지 않습니다. 입력이든 출력이든 일단 0이 아닌 흔들리는 전압이 있어야 합니다.

우측 회로는 기존 회로에서 시뮬레이션이 시작할 때 10uV 의 작은 전압을 10us 의 짧은 시간 동안 한번 인가 해 주고 스위치가 OFF 되는 회로를 추가하였습니다.

시뮬레이션을 위한 회로도(좌) 실제회로도 (우) 시뮬레이션을 위한 회로도


회로에 사용한 컴포넌트

위 회로에서 사용한 컴포넌트의 위치는 아래와 같습니다.
  • Comnents Tap > lumped Components

    • S1  : Switch

    • R1 ~ R3 : Resistor US

    • C1 : Capacitor

    • GND : Ctrl + G 로 입력 가능

  • Components Tap > nonlinear Components
    • OP1 : OpAmp
  • Components Tap > Source
    • V1 : DC Voltage


부품 속성

저항, 커패시터, DC 전원은 회로도에서 보이는 대로 값을 수정해주시면 됩니다.

OP1 를 더블클릭하여 Umax 의 값은 5V 로 변경 하고 회로도에 표시하도록 수정하였습니다. 안 해도 되긴 합니다. 

SW1 를 더블클릭하여 init 초기 상태를 on 으로 설정 하고, time 을 0.01 ms 로 설정하였습니다. 

OpAmp 와 Switch 설정OpAmp 와 Switch 설정


네트명 지정

OpAmp 의 입력단에 Vp, Vn 의 네트명을 지정하고, OpAmp 출력에 Out 네트명을 지정합니다. 네트명을 지정하는 이유는 시뮬레이션 결과과 데이터 선택을 편리하게 하기 위함입니다.


시뮬레이션 설정

Main Dock 에서 Components Tap > Simulations 에서 Transient SImulation 블록을 회로도에 추가하고, 아래 그림과 같이 속성을 변경합니다. Points 는 많을 수록 더 세밀하게 계산합니다. 용도에 따라 적은 수로 또는 많은 수로 변경하셔도 됩니다.

Transient Simulation 설정Transient Simulation 설정

시뮬레이션 설정이 완료되면 F2키를 눌러 시뮬레이션을 실행 합니다.


결과 보기

Main Dock 에서 Components Tap > Diagrams 에서 Cartesian 두개를 회로도에 드래그 합니다. 위의 회로 동작을 파악하기 위해 Vp, Vn 을 같이 보고, Vout 을 보는 것이 편할 것이라 생각해서 아래와 같이 출력 그래프를 설정하였습니다. 

시뮬레이션 결과시뮬레이션 결과

위의 회로에서 0 ~ 0.006 초 정도 까지의 시간은 C1이 0V ~ 2.5V 가 충전 되기까지의 시간입니다. 일단 Vp 의 레퍼런스 전압 2.5V 까지 충전이 되면 그 뒤로 구형파 발진 출력을 수행합니다.


마무리

이번 포스트에서는 QUCS 의

Transient Simulation을 사용하여 Opamp Multivibrator 발진 회로를 해석

하는 방법을 소개하였습니다. 

끝까지 읽어 주셔서 감사합니다.😄


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