연산 증폭기

연산증폭기-기호

연산 증폭기의 기능

- 증폭: 입력된 신호를 크게 증폭할 수 있습니다.
- 필터링: 입력 신호에서 노이즈를 제거할 수 있습니다.
- 신호 변환: 전류나 주파수의 변화를 전압의 변화로 변환할 수 있습니다.
- 신호처리 : 신호의 합성이나 미분, 적분 등을 할 수 있습니다.
- 발진: 다양한 파형의 신호를 반복적으로 생성할 수 있습니다.

연산 증폭기에는 2개의 입력 단자(반전 입력, 비반전 입력)와 1개의 출력 단자가 있어, 입력 단자 간의 전압의 차를 증폭해 출력하는 것이 연산 증폭기의 기본적인 성질이라고 할 수 있습니다. 이상적인 연산 증폭기는 두 입력 핀의 전압 차이를 무한대 배로 증폭합니다. 또 출력 임피던스는 0이 되고 입력 임피던스는 무한대가 됩니다. 주파수 특성도 무한대의 주파수까지 증폭할 수 있습니다. 출력 임피던스가 낮다는 것은 다음 회로에 영향을 미치지 않습니다. 입력 임피던스가 높다는 것은 입력 측에 접속하는 회로에 영향을 미치기 어렵다는 것입니다.

연산 증폭기는 +전원과 -전원을 이용해 사용합니다만, 최근에는 단일 전원(+전원만)으로 사용하는 IC도 많아지고 있습니다. 단일 전원의 경우는 -전원이 GND 단자가 됩니다. 연산 증폭기는 2개의 입력 단자, +입력 단자와 -입력 단자를 가지고 있습니다. +입력이 -입력보다 큰 전압일 때에는 출력전압 Vo는 플러스 쪽으로 흔들립니다. 반대로 -입력이 +입력보다 클 때에는 출력 전압 Vo는 마이너스 쪽으로 흔들립니다. 차이를 증폭하고 있기 때문에 차동 증폭기라고도 할 수 있습니다.

 

연산 증폭기의 전기적 특성

- 입력 오프셋 전압
이상적인 연산 증폭기에서는 입력 단자를 둘 다 그라운드 전위로 만들면 출력 전압은 0V가 됩니다. 그러나 실제 연산 증폭기에서는 0V가 되지 않습니다. 이것은 연산 증폭기 내부의 차동 트랜지스터의 평형이 완전히 취해지지 않기 때문입니다. 반대로 출력 전압을 0V로 하면 차동 입력 사이에 어느 정도의 직류 전압이 남습니다. 이것을 입력 오프셋 전압이라고 합니다.

 

보통은 몇 mV 정도입니다. 이 오차 전압을 없애기 위해 보상 회로를 부가하는 일이 있습니다. 범용 연산 증폭기에는 영점 조정 단자가 있고, 이에 가변 저항기를 접속하여 출력 전압을 0V로 조정할 수 있습니다. 이를 '영점 조정' 또는 '오프셋 조정'이라고 합니다. 입력 오프셋 전압은 온도에 따라 약간이나마 변화하며(온도 드리프트), 그 값은 수 μV℃ 정도입니다.

- 입력 바이어스 전류
이상적인 연산 증폭기의 입력 임피던스는 무한대이며, 입력 전류는 흐르지 않게 됩니다. 그러나 현실의 앰프는 동작시키기 위해 약간의 입력 전류가 흐릅니다. 이 전류를 입력 바이어스 전류라고 합니다. 차동 입력단에 바이폴라 트랜지스터를 사용하고 있는 경우는 비교적 큰 전류가 흐르고(nA, 나노 암페어), FET 입력단 타입의 연산 증폭기에서는 이 값은 매우 작아집니다(pA, 피코 암페어).

- 동상 입력 범위
연산 증폭기가 동작할 수 있는 입력 전압 Vin+, Vin-의 각각의 범위입니다. 일반적으로 전원 전압의 안쪽에 한정됩니다. 또한 단일 전원용 연산 증폭기는 음 전원 측이 전원 전압 가득까지 동작 가능하게 만들어져 있습니다.

- 동상제거비(CRMM)
연산 증폭기는 이상적으로는 차동 입력 전압 Vin+-(당기는) Vin-에 의해 동작하며 동상 전압(각각의 입력에 공통으로 가해지는 전압)의 영향을 받지 않습니다. 그러나 실제로는 약간의 영향을 받으므로 그 제거 능력을 동상 제거비 CRMM(Common Mode Rejection Ratio)으로 규정하고 있습니다. 이 값이 클수록 외래 노이즈에 영향을 덜 받는다고 할 수 있습니다.

- 오픈 루프 게인
이상적인 연산 증폭기는 차동 입력 전압 Vin+ - (빼기) Vin-를 무한대로 증폭합니다. 이것을 오픈 루프 게인이라고 부릅니다. 실제로는 일반적인 범용 연산 증폭기로, 1만에서 10만배(80~100dB)의 큰 증폭률을 가지고 있습니다. 오픈 루프 게인이 부족하면 이상적인 동작에서의 오차가 커집니다.

- 주파수 특성과 GB곱
이상적인 연산 증폭기는 무한대의 주파수까지 증폭할 수 있도록 되어 있지만, 실제 연산 증폭기로 증폭할 수 있는 주파수에는 한계가 있습니다. 음의 피드백을 걸지 않고 연산 증폭기 입력 전압을 일정하게 해 두고, 주파수를 변화시켰을 때의 증폭도의 변화를 오픈 루프 주파수 특성이라고 합니다. 직류에서 저주파에서는 연산 증폭기의 게인은 크고 평탄하지만 주파수가 높아짐에 따라 게인이 작아집니다. 이것을 연산 증폭기의 주파수 특성이라고 부릅니다.