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* OPAMP(Operational Amplifier: 연산 증폭기)
OPAMP는 트랜지스터, 다이오드 등을 직접화하여 하나의 작은 패키지화 한 아날로그 직접회로(IC: Integrated Circuit)이다.
증폭, 사칙연산, 비교 등의 기능을 하며 타이머, 인터페이스 회로, 제어 회로, 센서 회로 등에 사용된다.
OPAMP의 기본 구조
OPAMP는 2개의 입력단자(IN+, IN-), 하나의 출력단자(OUT), 2개의 전원단자(VCC+, VCC-)로 기본 구성을 갖으며,
필요에 따라 2개의 offset 단자를 추가하여 패키지를 구성한다.
OPAMP가 2개의 입력단자를 갖는 이유는 두 단자로 입력되는 신호의 차이를 증폭하기 위한 것이다.
2개의 입력단자 중 'IN+'는 비반적 입력단자(Non-Inverting)이고, 'IN-'는 반전(Inverting) 입력단자이다.
반전 입력단자로 입력된 신호는 반전되어 출력된다.(180도 위상차)
OPAMP의 기본 동작 및 특성
두 입력단자에 인가된 신호의 차를 OPAMP의 개방 루프 이득(자체 이득)만큼 증폭한 후 단일 신호로 출력한다.
두 신호의 차이는 직류 공급 전원들(VCC+, VCC-)로부터 에너지를 공급받아 증폭되어 출력된다.
즉, OPAMP는 두 입력 신호의 전압 차이를 개방루프 이득만큼 증폭하여 출력하는 단일 출력 증폭기이다.
개방루프 이득(Open Loop Gain)
개방루프 이득은 2개의 입력단자의 차이를 크게 증폭하여 매우 큰 출력 신호를 만들어 낸다.
10Hz 이하에서 20만 배의 이득을 갖지만, 주파수가 커질수록 이득이 감소하여 1MHz에서는 1의 값을 가진다.
OPAMP로 매우 큰 이득을 갖게 되는 경우 회로가 매우 불안정해지며, 잡음도 함께 증폭되므로 부귀환 회로 등을 이용하여 이득을 필요한 만큼 적절히 제어하여 사용한다.
CMRR(Common Mode Rejection Ratio: 동상모드제거비)
동상모드 신호는 OPAMP 두 입력단에서 동시에 나타나는 동일한 신호이다.
CMRR은 '출력 전압을 얼마나 제거하는 가'에 대한 수준을 나타낸다.
기술적으로는 차동모드 이득과 동상모드 이득 사이의 비율을 나타낸다.
예를 들어 차동모드 이득이 1000이고 동상모드 이득이 0.01이라고 할 때 CMRR은 dB 단위로 구해진다.
위 표시된 두 신호는 크기, 주파수, 위상이 모두 같은 동상모드 신호이다.
이 입력에 대해 OPAMP가 이상적인 동작을 한다면 출력 전압은 0이다.
부귀환(Negative Feedback) OPAMP
부귀환이란 증폭기 출력 중 일부가 입력신호의 반대위상을 가지고 다시 입력으로 되돌아가는 과정이다.
이를 통해 OPAMP의 이득을 제어한다.
부귀환 반전 증폭기
반전 증폭기는 입력 신호가 정해진 증폭도로 증폭된 후 출력단자에서 신호가 반전되는 증폭기이다.
완충 증폭기(Buffer Amplifier)
완충 증폭기는 출력전압 전부를 그대로 OPAMP의 반전 입력단자로 귀환시키는 비반전 증폭기이다.(귀환율 = 1)
따라서 앞쪽 회로와 뒤쪽 회로의 고유한 특성을 유지할 수 있는 인터페이스 역할을 한다.
비반전 증폭기 설계 및 시뮬레이션
성결대학교 정보통신공학과 전자회로설계 강의(2023)
윤기호 지음, 「기초전자회로 설계 및 실험」
본 게시물은 위 강의 및 교재를 기반으로 정리한 글입니다.
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