연산 증폭기 응용

증폭회로

반전 증폭 회로

반전 증폭 회로는 입력 신호를 증폭하여 반전 출력하는 기능을 가지고 있습니다. 반전이란 부호를 바꾸는 것을 나타냅니다. 이 증폭기에는 음의 피드백이 이용되고 있습니다. 음의 피드백이란 출력 신호의 일부를 반전해 입력으로 되돌리는 것으로 이 회로에서는 출력 Vout가 R2를 경유해 반전 입력 단자(-)에 접속되어 있는(되돌아가는) 부분에 해당합니다.

반전 증폭 회로의 동작을 생각해 봅시다. 연산 증폭기에는 출력이 전원 전압에 붙어 있지 않으면, 반전 입력 단자(-)와 비반전 입력 단자(+)에는 동일한 전압이 가해집니다. 즉 가상적으로 쇼트하고 있다고 생각할 수 있는 상상 쇼트라고 하는 특징이 있습니다. 상상 쇼트와 비반전 입력 단자(+)가 0 V 인 것으로부터, 점 A는 0 V가 됩니다. 이러한 조건에서 R1에 대해 옴의 법칙을 적용하면 I1=Vin/R1이 됩니다.

또 연산 증폭기는 입력 임피던스가 매우 높기 때문에 반전 입력 단자(-)에 거의 전류가 흐르지 않습니다. 그 때문에 I1은 점 A를 경유해 R2로 흐르기 때문에 I1과 I2의 전류는 거의 같아집니다. 이러한 조건에서 R2에 대해 옴의 법칙을 적용하면 Vout=-I1×R2가 됩니다. I1에 마이너스가 붙는 것은 0V인 점 A에서 I2가 흘러나오고 있기 때문입니다.

방법을 바꾸면, 반전 입력 단자(-)의 입력 전압이 상승하려고 하면 출력은 반전해 마이너스 방향으로 크게 증폭됩니다. 이 마이너스 방향의 출력 전압은 R2를 경유해 반전 입력 단자에 접속되어 있기 때문에 반전 입력 단자(-)의 전압 상승이 억제됩니다. 반전 입력 단자가 비반전 입력 단자와 같은 0V가 되는 출력 전압으로 안정됩니다.

증폭 회로이기 때문에 입력과 출력의 관계에서 증폭률을 구해봅시다. 증폭률은 Vin와 Vout의 비가 되므로 Vout/Vin=(-I1×R2)/(I1×R1)=-R2/R1가 됩니다. 증폭률에 -가 붙어 있는 것은 파형이 반전하는 것을 나타냅니다. 이 식에서 특히 주목할 점은 증폭률이 R1과 R2의 저항비 만으로 결정된다는 것입니다. 즉 저항을 변경하는 것만으로 쉽게 증폭률을 변경할 수 있는 것입니다. 이와 같이 높은 증폭도를 갖는 연산 증폭기에 엄의 피드백을 걸어 증폭도를 눌러 사용함으로써 원하는 증폭도의 회로로 사용할 수 있습니다.

 

비반전 증폭 회로

반전 증폭 회로와의 큰 차이는 출력 파형과 입력 파형의 위상이 같은 것과 입력이 비반전 입력 단자(+)에 인가되어 있다는 것입니다. 반전 증폭 회로와 마찬가지로 음의 피드백을 이용한 회로입니다. 이 회로의 동작을 생각해 봅시다. 우선, 상상 쇼트에 의해서 비반전 입력 단자(+)와 반전 입력 단자(-)의 전압은 Vin이 됩니다. 따라서 점 A의 전압은 Vin입니다. R1에 주목해 옴의 법칙을 적용하면 Vin=R1×I1이 됩니다.

또 연산 증폭기의 2개의 입력 단자에 전류가 거의 흐르지 않는 것으로부터 I1=I2가 됩니다. 다음에 Vout는 R1, R2의 전압을 가산한 것이 됩니다. 식으로 나타내면 Vout=R2×I2+R1×I1가 됩니다. 이상의 식을 정리해 증폭률 G를 구하면, G=Vout/Vin=(1+R2/R1)가 됩니다.

이 회로는 출력과 입력이 반전되지 않기 때문에 위상이 문제가 되는 용도로 사용됩니다. 이 회로 중의 R1을 삭제하고, R2의 저항을 0Ω 혹은 쇼트 하면 증폭률이 1인 전압 팔로어 회로가 됩니다. 특히 임피던스 변환이나 버퍼 용도로 자주 이용됩니다.

 

입력 값 결정 - 비교기

비교기로 불리며 2개의 전압을 비교해 출력에 1(+측 전원 전압, VDD)이나 0(-측 전원 전압)을 출력하는 것입니다. 입력이 일정한 값에 도달했는지를 검출하는 경우 등에 자주 이용됩니다. 연산 증폭기로 대체할 수도 있지만 일반적으로 전용 비교기 IC를 사용합니다. 비교기는 연산 증폭기와 같은 회로도 기호를 이용합니다.

비교기 회로는 양의 피드백과 음의 피드백이 없다는 것에 주목해야 합니다. Vin과 VREF의 차이를 증폭하여 Vout에서 출력합니다. 예를 들면 VREF보다 Vin 쪽이 높으면 증폭되고 출력 Vout는 +쪽 전원 전압까지 상승하여 포화됩니다. 다음으로 VREF보다 Vin의 전압이 낮으면 출력 Vout는 -측 전원 전압까지 강하하여 포화됩니다. 이 동작에 따라 Vin과 VREF를 비교한 결과가 Vout로 출력되게 됩니다. 실제로는 히스테리시스(오작동 방지용의 전압 영역)를 갖고 Vin에 다소의 노이즈가 있어도 안정되게 동작하도록 하는 것이 일반적입니다.