아마추어를 벗어나기 위한 아날로그 회로집(4)-OP 앰프 증폭 회로

아마추어를 벗어나기 위한 아날로그 회로집(Ⅱ)-OP 앰프 증폭 회로

 

신호는 확실하게 정리해서 전달해 준다
OP 앰프 증폭 회로




OP 앰프 증폭 회로의 기본 
단 2개의 저항으로 게인을 자유롭게 설정한다

여기서는 OP 앰프(Operational Amplifier)의 기본에 대해 해설한다. 아날로그 IC라고 하면 OP 앰프이다. 원고 끝에 있는 참고문헌을 쉽게 읽을 수 있도록 하기 위한 기초 지식을 해설한 것이라고 생각하면 된다. 본격적인 OP 앰프에 대해서는 참고문헌을 살펴보기 바란다.

1. 2개의 저항으로 게인(증폭률)을 결정한다

그림 1(a)와 같이 OP 앰프가 지금도 아날로그 회로의 기축 부품으로 널리 사용되고 있는 가장 큰 이유는, 게인(Gain) 설정이 저항 2개로 가능한 앰프를 만들기 쉽기 때문이다. 



어느 정도 용량인지 알기 위해 10배 앰프의 사례를 들어 그림 1(b), 그림 1(c)를 준비했다. 그림 1(b), 그림 1(c)의 저항 R₁, R₂ 두 개로 정확하게 10배의 앰프를 만들 수 있다.
OP 앰프의 기본적인 사용법은 두 종류로, 반전 앰프(Inverting Amplifier)와 비반전 앰프(Non-Inverting Amplifier)이다.

2. OP 앰프로 만들 수 있는 기본 증폭 회로 1 : 반전 앰프

그림 2(a)의 반전 증폭 회로는 입력 전압과 극성이 반전된 전압이 출력된다. 



입력 전압이 플러스이면 출력 전압은 마이너스, 입력 전압이 마이너스이면 출력 전압은 플러스가 출력된다. 입력 전압 V_in과 출력 전압 Vout의 관계는 저항 R_i, R_f만으로 결정되어 매우 간단하다.



(1) 반전 앰프의 기본 동작 … 길이가 다른 시소
그림 2(b)는 이 반전 앰프가 동작하는 모습을 나타낸 것이다. 저항값으로 환산하면 봉의 길이 Ri＋Rf인 지레가 준비되어 있고, 이 지레 봉의 길이 Ri 위치에 지점이 있으며, 이 지점을 －V로 하여 고정되어 있는 이미지이다. 마치 공원에 있는 시소와 같다.
여기서, 입력 전압 V_in만큼 지레 한쪽을 들어올리면 출력은 극성이 반전되어 식 (1)에 따른 전압이 출력된다. 시소를 탄 기분으로 출력 전압이 변하는 모습을 상상해 보자. 포인트는 지레 봉 길이의 비율이다. 즉, 저항 R_i와 R_f의 비율에 따라 게인이 정해진다.
1) 입력 임피던스를 Ri로 결정할 수 있다
반전 앰프의 특징은 일반적으로 다음과 같이 3가지이다.
① 입력 임피던스가 Ri에 따라 정해진다
② 전류 입력, 전압 출력의 앰프를 구성할 수 있다.
③ 기준점이 그라운드
반전 앰프의 경우, 입력 임피던스가 Ri에 따라 정해지므로 신호원 임피던스 Zi가 높은 경우, 식 (2)의 조건에서 사용하거나 비반전 앰프 사용을 권장한다.



3. OP 앰프로 만들 수 있는 기본 증폭 회로 2 : 비반전 앰프

그림 3(a)는 비반전 앰프의 기본형을 나타낸 것이다. 



비반전 앰프라고 할 정도이므로, 입력 전압과 출력 전압의 극성은 반전시키지 않으며 극성은 동일하다.
입력 전압 V_in과 출력 전압 V_out의 관계는 역시 저항 R_i와 R_f에 의해서만 정해지며 다음과 같이 나타낼 수 있다.

이것도 매우 간단하다. 비반전이란, 반전의 부정이며 여기서는 영어를 번역하여 그렇게 부른다고 생각하면 된다.

(1) 비반전 앰프의 기본 동작 … 지레의 원리를 떠올린다
비반전 앰프가 동작하는 모습도 그림 3(b)와 같이 설명할 수 있다. 봉 길이 R_i＋R_f의 지렛대를 준비한다. 이번에는 지렛대의 봉 끝을 지점으로 하여 0V로 고정해 둔다.
입력 전압 V_in만큼 지렛대를 들어올려 보면, 출력 전압 V_out은 입력 전압 V_in에 대해 (R_i＋R_f)/Ri만큼 큰 전압이 된다. (R_i＋R_f)/R_i는 지렛대 봉 길이의 비율 그 자체이다.
사람이 그림 3(b)의 지렛대를 움직이려면 매우 큰 힘이 필요할 것 같지만 다행히 일렉트로닉스에서 완력은 불필요하다. 극성이 입력과 같아서 식 (3)에 따른 전압이 출력된다. 지렛대를 움직여 출력 전압이 변화하는 모습을 상상해 보자.
포인트는 비반전 앰프도 지렛대 봉 길이의 비율인 저항 R_i와 R_f의 비율에 따라 게인이 정해진다.
1) 신호원의 출력 임피던스가 다소 높아도 상관없다
비반전 앰프의 특징은 뭐니뭐니 해도 입력 임피던스가 매우 높다는 것이다. 그러므로 신호원 임피던스가 다소 높은 경우에도 증폭도를 변화시키지 않고 증폭할 수 있다.

4. OP 앰프로 만들 수 있는 기본 증폭 회로 3 : 코먼 모드 노이즈를 제거한다 - 차동 앰프

OP 앰프 증폭 회로로 반전 앰프, 비반전 앰프 외에 또 하나를 들 수 있다. 그것은 바로 그림 4에 나타난 차동 앰프(Differential Amplifier)이다. 



이 회로의 특징은 전압 2개의 차이분을 증폭할 수 있다는 것이다. 식 (4)에 나타난 게인으로 증폭할 수 있는 회로이다.

이 용도는 코먼 모드의 영향을 배제하는 등과 같은 용도에 사용된다.
차동 앰프를 보기 좋게 동작시키는 포인트는 OP 앰프 자체의 게인 A의 크기, 특히 주파수 특성이 높은 주파수까지 있는 것, 사용하는 저항 R_f, R_i가 잘 갖춰져 있는 것이다.

‌OP 앰프의 가장 중요한 특성 1 … 게인 A 
언제나 저항 2개만으로 게인을 정할 수 있는 이유

1. OP 앰프가 저항 2개로 게인을 정할 수 있는 이유

OP 앰프는 어떻게 저항 R_i, R_f의 비율로 간단하게 게인을 정할 수 있는가에 대해 설명되어 있는 경우를 거의 본 적이 없어 여기서 설명해 둔다.
한 번 더 앞쪽의 그림 1을 살펴보자. 실제로 OP 앰프의 동작은 저항 Ri, Rf의 비율과 전혀 관계가 없다. 단, 반전 입력 단자 －의 전압 V_in－와 비반전 입력 단자 ＋의 전압 V_in＋의 차이 전압(V_in＋－V_in－)을 OP 앰프 자체의 게인 A로 증폭하고 있는 것에 불과하다. 
즉, OP 앰프의 출력 전압 V_out은 반전 앰프, 비반전 앰프에 관계없이 식 (5)로 나타낼 수 있다.



이 관계에 대해 비반전 앰프를 이해하기 쉽도록 다시 기록한 것이 그림 5이다. 
그림 5의 반전 단자 전압은 V_in, 비반전 입력 단자의 전압은 출력 전압 V_out을 저항 R^_f, R_i로 분할하고 있으므로 V_out R_i/(R_i＋R_f)가 된다. 이 조건을 식 (4)에 대입해서 정리하면 식 (6)과 같이 된다.





여기서부터가 재미있는 부분이다. 식 (6)에 나타난 우변의 분자, 분모를 OP 앰프 자체의 게인 A로 나누어 보자. 그러면 식 (7)과 같이 된다.

 

여기서 조건과 OP 앰프 자체의 게인 A가 매우 커서 1/A＝0으로로 간주할 수 있다고 하자. 그러면 식 (7)은 간단하게 식 (8)이 되어 비반전 증폭 회로의 게인을 나타내는 식 (3)과 같아진다.



즉, OP 앰프의 동작은 반전 앰프, 비반전 앰프와 관계없이 다음과 같이 된다.
(비반전 입력－반전 입력)×A배의 신호 출력
그러므로 반전 앰프, 비반전 앰프에 관계없이 저항 R_i와 R_f의 비율에 의해서만 게인이 정해진다는 특성을 실현할 수 있는 것이다.



2. OP 앰프의 사용 범위

OP 앰프 자체의 게인 A[OP 앰프 자체의 게인이라고 얘기했지만, 각 반도체 메이커에서는 용어를 미묘하게 다른 것으로 사용하는 것 같다. 몇 가지 예를 들어보면 전압 게인, GBW(Gain Band Width), Unity Gain Band Width, Differential Gain 등이 있다. 이 정도는 익숙해지는 수밖에 없다]가 매우 커서 1/A＝0으로 간주할 수 있다는 조건이 만족되지 않을 때, OP 앰프 증폭 회로는 기대하지 않은 쪽으로 동작한다. 이것을 확인하려면 그림 6과 같은 OP 앰프 자체의 게인 A를 각 OP 앰프 메이커의 데이터시트에서 조사해야 한다.



그림 6의 OP 앰프 TL072(텍사스 인스트루먼트)로 10배의 증폭 회로에서 사용한 경우를 예로 들어 게인의 오차 요인에 대해 설명한다.

(1) 게인 A가 높은 DC 부근의 오차 요인…Rf와 Ri의 오차
DC 부근에서 OP 앰프 자체의 게인 A는 100dB 이상으로 매우 높아진다. 이 부근의 주파수 영역에서는, 설계한 OP 앰프 증폭 회로의 게인 오차의 경우 OP 앰프 자체의 게인 A가 아니라 저항 R_f, R_i에 따라 달라진다. 오차 0.5% 이하의 고정밀도 금속 피막 저항은 이러한 용도에 사용해야 비로소 그 진가를 발휘한다.

(2) 10kHz 이상에서의 오차 요인…게인 A의 주파수 특성
10kHz 이상에서 게인 오차가 두드러진다. 이것은 저항 R_f, R_i가 요인인 오차는 아니다. 그림 6에서는 30kHz 부근에서 게인 A＝100배가 되었다. 주파수가 이 이상 높아지고 게인 A가 낮아지면 게인 A가 충분히 크다고 할 수 없게 된다.
그림 6에서 주목해야 할 것은 DC 부근 게인과 게인이 0dB(＝1배)로 되는 주파수이다. 특히 게인이 0dB 주파수인 높이는 OP 앰프의 광대역 성능, 고속 성능을 결정한다. 그림 6에서는 3MHz 정도이다.
설명하기는 어렵지만 OP 앰프의 가격은 성능의 높이, 즉 게인이 0dB 주파수인 높이가 차지하는 부분이 매우 크다.

3. 게인 0dB 주파수의 차이를 실험으로 확인한다

OP 앰프 자체의 게인이 0dB(＝1배)로 되는 주파수의 차이에 따라 특성에 차이가 있는가에 대해 10배 앰프로 실험하여 파형을 비교해 보았다. 차이를 알 수 있도록 의도적으로 OP 앰프를 바꿨다.

(1) OP 앰프 1 : 단전원 타입의 대표, LM358 … 게인 0dB 주파수 0.7MHz
OP 앰프 자체의 게인이 0dB(＝1배)로 되는 주파수가 0.7MHz인 LM358(텍사스 인스트루먼트)은 단전원으로 동작하는 저소비전류의 대표적인 OP 앰프이다. 사진 1(a)의 입력 주파수 1kHz에서는 아무 문제없이 10배의 OP 앰프로 되었다.



그러나 사진 1(b)와 같이 입력 주파수 10kHz로 되면 파형은 왜곡되어 버리고 출력 전압도 10배라고는 하기 어려워졌다.

(2) OP 앰프 2 : 저잡음 타입의 대표, NJM5532 … 게인 0dB 주파수 10MHz
대표적인 저잡음 OP 앰프 NJM5532(신일본무선)는 OP 앰프 자체의 게인이 0dB(＝1배)로 되는 주파수가 10MHz이다. NJM5532를 사진 1(b)와 같은 조건, 입력 주파수 10kHz에서 실험한 것이 사진 2이다.
OP 앰프 자체의 게인이 0dB로 되는 주파수가 10MHz와 같이 충분히 높으므로 10kHz에서도 확실하게 10배 앰프로 동작했다.



OP 앰프의 가장 중요한 특성 2 … 오프셋 전압온도에 따른 성능 편차를 줄인다

1. 게인이 큰 증폭 회로에서 특별히 조심해야 하는 오프셋 전압

OP 앰프에서 특히 중요한 특성을 설명한다. 그림 7의 오프셋 전압에서, OP 앰프의 반전 입력 단자 －와 비반전 입력 단자 ＋를 모두 그라운드에 접속하면, 이상적인 경우 출력 전압은 0V이다. 이상적이라고 한 것은 현실이 그렇지 않기 때문이다. 



입력 전압을 0V로 해도 OP 앰프 자체의 DC 게인 A가 20만 배(＝120dB)나 있으면 아무리 애를 써도 DC 출력 전압 V_out이 발생한다. DC 출력 전압 V_out＝0V가 아니면 이상적이지 않다. 이 이상적이지 않은 출력 전압 V_out을 입력 환산한 값이 오프셋 전압 V_offset이다.



그림 7의 회로에서 출력 전압이 V_out＝10V였을 경우, OP 앰프 자체의 DC 게인 A가 10만 배라면 오프셋 전압 V_offset은 50㎶로 된다.



오프셋 전압 V_offset은 DC에서 증폭하는 용도이며, 게인을 100배 등으로 크게 잡으면 그 영향이 나온다. 즉, 출력 전압 V_out에 저항 오차 이외의 오차가 발생해 버린다.

2. 온도 편차의 원인이 된다 … 오프셋 전압의 온도 드리프트

오프셋 전압 V_offset이 온도에 따라 변한다는 것은 더욱 곤란한 점이다. 즉, 오프셋 전압 V_offset은 온도 특성을 갖고 있다. 예를 들면, 그림 7의 회로에서 온도가 10℃ 상승하여 출력 전압 V_out이 10V에서 11V가 되었다고 하자. 10℃의 온도 상승으로 출력 전압 V_out이 1V 변화한 것이다. 그러면 앞에서와 똑같이 계산해 보자. 10℃ 온도 상승으로 오프셋 전압 V_offset의 변화는 식 (11)과 같이 된다.



온도 1℃당 오프셋 전압 Voffset의 변화는 식 (12)와 같다.



이러한 오프셋 전압의 온도 변화를 온도 드리프트라고 한다. 반도체 메이커에서 고정도라는 이름으로 판매되고 있는 OP 앰프는 오프셋 전압이나 온도 드리프트를 크게 줄인 특성을 갖고 있다. 높은 DC 게인에서 사용해도 저항 비율만으로 게인이 정해지는 고정밀도의 성능이 있다는 의미이다.

(1) 보충 설명 - 온도 드리프트가 걱정되는 용도에서는 온도 변화가 작은 금속 피막 저항을 사용한다
온도 드리프트가 신경 쓰이는 용도라면 OP 앰프의 특성뿐만 아니라 게인을 결정하는 저항의 온도 특성인 저항온도계수 TCR(Temperature Coefficient of Resistance)에도 주목해야 한다. 금속 피막 저항, 특히 그 중에서도 TCR＝±5ppm/K인 금속 피막 저항은 이러한 용도에 사용해야 비로소 그 진가를 발휘한다.




本 記事는 日本 CQ出版社가 發行하는 「トランジスタ技術」誌와의 著作權 協定에 依據하여 提供받은 資料입니다.

출처: http://www.hellot.co.kr/new_hellot/search/search_magazine_read.html?idx=14434