OPAMP는 전자회로를 배우는 학생이든 회로 설계를 하는 직장인이든 가장 많이 다루고 보게되는 회로 중 하나 입니다. 한마디로 회로 설계에 있어서 가장 중요하고 기본이 되는 소자인 거죠! 하지만 저를 포함하여 많은 분들이 학부생 때 부터 OPAMP를 배워왔으나 그 기본 개념에 대해 잘 모르는 것이 사실입니다. 그 만큼 이해하기 어렵기도 하구요. 그래서 OPAMP에 대해 좀 더 쉽게 이해할 수 있도록 최대한 수식은 자제하고 글을 풀어 보려 합니다.
기본적인 OPAMP는 아래 그림 1과 같습니다.
OPAMP의 이득(열린루프)은 일반적으로 100,000배 이상입니다. 따라서 그림 1의 VOUT=Ao(V1-V2) 수식에 의해 입력 전압 V1과 V2의 차이가 1mV만큼 아주 작다하더라도 OPAMP의 이득 100,000배를 곱하면 출력 전압 VOUT은 100V가 됩니다. 물론 전원전압 V+와 V- 전압은 보통 ±15V이하이므로 ±15V에서 포화됩니다. V1이 V2보다 크다면 -15V가 출력될 것이고, V2가 V1보다 크다면 +15V가 출력 되겠죠. 즉, OPAMP의 출력 전압은 항상 +15V 또는 -15V가 됩니다. 이러한 OPAMP의 특성을 이용한 소자를 비교기(Comparator) 라고 합니다. 단순히 두 입력 신호의 크기 차이만 비교하는 거죠.
그러면, OPAMP를 우리가 원하는 크기만큼 증폭하는 증폭기(Amplifier)로써 사용하려면 어떻게 해야 할까요?
이 때 나오는 내용이 바로 피드백 입니다. 하지만 피드백에 대해 알아보기 전에 우선 이상적인 OP AMP의 특성을 제대로 이해할 필요가 있습니다. OP AMP는 입력 임피던스, 열린 루프 이득, 대역폭, 슬루율, 입력 전류, 공통모드 제거비 등 많은 특성들이 있지만 입력 임피던스와 열린루프 이득이 무한대라는 특성이 피드백 회로를 이해하는데 있어서 특히 중요합니다. 피드백 회로를 설명할 때 흔히 가상접지(Virtual Ground)라는 개념을 도입하는데 앞선 두 가지 특성이 가상 접지와 밀접한 관련이 있기 때문입니다. 중요한 두 가지 특성을 그림 2의 OPAMP 모델링과 함께 풀어서 설명해 보겠습니다.
1. 첫 번째 특성
입력 임피던스(Rin) = ∞ 이므로 입력으로 흐르는 전류 I1=I2=0 이 되고, 따라서 Rin에 의한 Voltage 전위차이는 발생하지 않으므로 V1-V2 = Vin = 0이 성립한다.
2. 두 번째 특성
열린 루프 이득(Ao) = ∞ 이므로 VOUT=Ao(V1-V2) 수식에 의해 V1-V2=0이 성립한다.
따라서, 두 가지 특성에 의해 V1=V2로 귀결됨을 알 수 있습니다. 이 개념이 바로 가상 접지입니다. 만약, V2에 0V(Ground)를 인가하면 V1도 0V로 따라갑니다. V1에 실제로 0V를 인가하지 않았음에도 V2=0V에 의해 V1 노드가 0V가 되기 때문에 가상 접지라는 용어를 사용하는 거에요. 근데 만약 V2에 1V를 인가하면 어떨까요? V1 역시 1V가 됩니다. 따라서, 가상 접지란 V2에 대해 V1의 상대적인 Voltage가 0V라는 의미가 더 정확합니다. 즉, V1-V2=0이라는 특성 자체를 의미하는 거죠.
앞서 설명한 가상 접지의 개념을 이용하면 피드백 회로를 쉽게 이해할 수 있습니다. 정확하게는 Negative Feedback 기법입니다. Positive Feedback을 적용하게 되면 오히려 발진하게 되죠.. 어쨋든, OPAMP의 출력신호(VOUT)를 다시 '마이너스'입력신호(V1)로 되먹임함으로써 이득의 안정을 꾀하는 방법입니다. Negative Feedback을 구성하는 방법은 두 가지 방식이 있는데 아래 그림 2. (a) Inverting Amplifier(반전 증폭기), 그림 2. (b) Non-Inverting Amplifier(비반전 증폭기) 입니다.
매우 익숙한 그림일 것이라 생각됩니다. 학교에서 배울 때는 두 종류의 회로가 마치 다른 형태인양 설명하지만 자세히 보면 두 가지 회로는 동일한 형태를 가집니다. Non-Inverting Amplifier를 아래 그림 3과 같이 변형 시켜봅니다.
변형된 그림 3의 Non-Inverting Amplifier는 그림 2. (a) Inverting Amplifier의 형태와 동일한 것을 확인할 수 있습니다. 차이점이라고 하면 입력 신호 V1과 GND의 위치가 서로 뒤바뀐 것 정도라고 할 수 있겠네요. 이렇게 두 종류의 Amplifier를 동일한 형태로 이해하는 것이 헷갈리지 않을뿐더러 기억하기가 더 용이합니다. 또한, 복잡한 회로설계를 함에 있어서도 응용이 용이하기 때문에 훨씬 더 편리함을 가져다 줍니다. Inverting Amplifier와 Non-Inverting Amplifier에 대한 자세한 설명과 응용 방법은 다음 장에서 다뤄보도록 하겠습니다. 궁금하신 분은 아래 링크를 참고 부탁 드립니다~!
※ Inverting Amplifier (반전 증폭기)
2018.12.25 - [아날로그 회로] - #2. Inverting Amplifier (반전 증폭기)
#2. Inverting Amplifier (반전 증폭기)
#1. OPAMP 장에서 Negative Feedback 기법을 적용한 회로는 Inverting Amplifier와 Non Inverting Amplifier 두 가지 종류가 있다고 설명했습니다. 먼저 Inverting Amplifier에 대해 알아보도록 하겠습니다. R1과 R2에 흐르
analog-circuit-design.tistory.com
※ Non-Inverting Amplifier (비반전 증폭기)
2022.03.13 - [아날로그 회로] - #3. Non-Inverting Amplifier (비반전 증폭기)
#3. Non-Inverting Amplifier (비반전 증폭기)
Inverting Amplifier (반전 증폭기) 다음으로 Non-Inverting Amplifier (비반전 증폭기)에 대해 알아보도록 하겠습니다. R1과 R2에 흐르는 전류는 동일하다는 수식을 세우면 Non-Inverting Amplifier (비반전 증폭기)
analog-circuit-design.tistory.com
'아날로그 회로' 카테고리의 다른 글
| #10. 스너버 회로란? (5) | 2023.07.09 |
|---|---|
| #9. 역극성 방지 회로와 역전압 보호 회로 (7) | 2023.06.29 |
| #7 신호 검출용 다이오드 (Photodiode) (0) | 2023.06.21 |
| #6. 다이오드를 왜, 어디에 사용할까? - 정류 회로, 보호 회로 (0) | 2023.06.19 |
| #5. Diode의 정의와 기본적인 동작 특성 (0) | 2023.06.18 |
| #4. Differential Amplifier(차동증폭기) (0) | 2023.06.18 |
| #3. Non-Inverting Amplifier (비반전 증폭기) (0) | 2022.03.13 |
| #2. Inverting Amplifier (반전 증폭기) (0) | 2018.12.25 |