연산 증폭기 기초 (Op amp basic)

대표 ㅎ_ㅎ

목차

1. 연산 증폭기에 대한 간략한 서론

2. 이상적인 연산 증폭기

부록 1. 증폭기에 대한 간단한 설명

 

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연산 증폭기에 대한 간략한 서론

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연산 증폭기는 요즘 개별 및 집적 회로 즉 능동 필터, 디지털 카메라의 Analog to Digital Converter와 같은 넓은분야에서 사용이 됩니다.

 

상급 교재에선 연산증폭기(operational amplifier, op amp)를 트랜지스터 레벨에서 설계를 배우지만 학부레벨에서는 하나의 "블랙 박스"로 표현하여 연산 증폭기에 대해 알아갑니다.

 

 

 

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이상적인 연산 증폭기

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아래 그림을 보게되면 연산 증폭기(op amp)의 심볼인데 통상적으로 3 단자(Three-Terminal)로 표현을 합니다만 공급전압을 표현하는 심볼도 간혹 있습니다(시뮬레이션을 하는 경우에는 공급 전압 단자도 표현)

 

좌 : 3 단자 OP-AMP Symbol, 우 : 5단자 OP-AMP Symbol

 

 

위 그림에서 증폭기에 대한 심볼(삼각형)에 (+)와 (-) 단자가 있음을 알 수 있는데 저 두개의 단자의 뜻은 비반전 입력(+)와 반전 입력(-)을 뜻하고 (+)와 (-), 즉 비반전 입력과 반전 입력의 전압의 차이를 증폭시키는 회로로 볼 수 있습니다

 

전압에 차이를 증폭시키는 회로에 대해 이해를 돕기 위해서 이상적인 연산 증폭기의 등가회로를 보게 되면 아래와 같이 두 입력에 대한 종속전압원(Dependent Voltage Source)이 앰프 내에 있다라고 표현이 가능합니다.

 

 

위 그림에서 이상적인 연산 증폭기의 출력 전압은 아래와 같습니다.

 

$$V_{out}=A_0(V_{in1}-V_{in2}) ... Eq (1) $$

 

전압이득 식으로 표현하면 아래와 같습니다.

 

$$\frac{V_{out}}{(V_{in1}-V_{in2})}=A_0 ... Eq (2) $$

 

즉 식 2가 의미하는 것은 두 입력(반전, 비반전)의 차이와 출력전압의 비가 A0만큼의 전압이득이 나옴으로써 둘의 전압이 같은 경우엔 이상적인 연산 증폭기에서 A0가 무한대로 출력이 나옴을 알 수 있습니다.

 

식 1 에서 A0는 전압이득으로 표시하는데 이를 "개방 루프 이득" 또는 "개루프 이득" 또는 "차동 이득"이라 부릅니다.

(여기서 개루프 이득은 상당히 높은 값 대개 1000으로 가정하여 풀이를 합니다.)

 

Vin1이 접지에 연결이 되어있고, Vin2에 어떤 신호가 입력이 인가되었을 때 반전된 출력 전압이 나오고, Vin1에 신호가 입력이 되고 Vin2가 접지되어 있으면 비반전된 결과가 나오게 됨을 알 수 있습니다.

 

$$V_{in1}-V_{in2}=\frac{V_{out}}{A_0} ... Eq(3)$$

 

식 3에서 다르게 알 수 있는 사실은(practical 연산 증폭기에 대해 잠시 언급하자면)

A0가 무한대(즉, 상당히 큰 값인 경우, 이상적인 증폭기에선 무한대로 표기) 출력은 0에 가까워지지만 정확히 0이 될 수 없음을 알아야해요!

 

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부록 1. 증폭기에 대한 간략한 설명

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앞선 설명에서 이상적인 op amp에서 설명하는 증폭기는 "전압 증폭기"입니다.

두개의 입력이 들어오고 출력전압은 두개의 입력의 차의 개루프 이득을 곱한 것이기 때문이죠 (식 1 참조)

 

그러면 증폭기는 무엇일까요?

 

식1과 비슷하게

 

$$V_{out}=AV_{in}$$

 

의 관계를 가지게 되면 흔히 우리는 "증폭기"라는 표현을 하게 됩니다.

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부족한 부분이 있다면 덧글로 질문을 적어주시면 내용을 보완하겠습니다.

감사합니다.

 

아래에는 응용에 대한 포스팅입니다. 참고해주시면 되겠습니다.

 

2021.06.26 - [전자회로의 이해/연산 증폭기(Operational Amplifier)] - 연산 증폭기 응용 1편(반전 증폭기와 비반전 증폭기)

연산 증폭기 응용 1편(반전 증폭기와 비반전 증폭기)