OPAMP 기초

지난 포스팅에서 아래와 같은 8-bit ADC 회로에 대한 간단한 분석(?)을 진행하였다.

자세한 내용은 아래 포스팅 내용을 확인하도록 하자.

 

2020/11/10 - [Electronic circuit/Analog] - 8 bit ADC 회로 분석_개요

8 bit ADC 회로 분석_개요

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이번 포스팅은 2번인 OPAMP에 대해 알아보도록 하겠다.

간단히 서술하자면 Non-Inverting OPAMP인 것을 파악할 수 있으며, 근거는 다음과 같다.

 

1. OPAMP에 저항 성분이 Feedback으로 들어가므로 Inverting 혹은 Non-Inverting AMP.일 것이다.

2. 개요 포스팅에 적혀있는 조건대로 Gain이 "+50"이므로 Non-Inverting AMP.인 것을 알 수 있다.

 

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이상적인 OPAMP

이상적인 OPAMP는 아래와 같다.

이상적인 OPAMP의 이득(open loop)은 무한대에 가까우나 일반적으로 100,000배 이상이다.

 

OPAMP는 입력 전압의 차이를 증폭해주는 것으로 OPAMP 이득을 Av라고 한다면 Vout=Av(V1-V2)가 된다.

예를 들어 입력 전압의 차이가 1mV만큼 작다면 출력전압은 100V가 된다. 하지만 OPAMP에 Max/Min 전압(V+, V-)이 인가되기 때문에 이 값을 넘기는 경우엔 전압이 V+(혹은 V-)으로 포화된다.

 

이러한 OPAMP 특성을 이용한 소자를 비교기(Comparator)라고 하며, 단순히 두 입력 신호의 크기를 비교한다. 이것은 ADC 기본 회로에서 Analog 신호를 Digital 신호로 바꿔주는 핵심적인 역할을 하게 된다.

 

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이제는 OPAMP의 특성을 알아볼 차례다. OPAMP는 입력 임피던스, 열린 루프 이득, 대역폭, 슬루율, 입력전류, 공통모드 제거비 등 많은 특성이 있지만, 그 중에서도 입력 임피던스와 열린 루프 이득이 무한대라는 것이 피드백 회로를 이해하는데 있어서 특히 중요하다.

 

피드백 회로는 사용자가 OPAMP를 사용하여 원하는 전압 이득을 얻기 위해 사용하는 것이다. 피드백 회로를 설명할 땐 가상접지(Virtual Ground)라는 개념을 도입하게 되는데 입력 임피던스와 열린 루프 이득이 이 개념을 설명하는데 중요한 역할을 한다. 이 두가지 특성을 아래 그림을 통해 설명하도록 하겠다.

 

 

OPAMP 특성을 정리하면 아래와 같다.

1. "입력 임피던스(Rin) = 무한대"이므로 입력으로 흐르는 전류 I1=I2=0이 되고, Rin에 의한 전압 차이가 발생하지 않으므로 "V1-V2=Vin=0"이 성립한다.

 

2. "열린 루프 이득(Ao) = 무한대"이다.

 

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위 특성을 통해 "V1=V2"인 것을 확인할 수 있으며, 이 개념을 가상 접지라고 표현하며 V2에 GND가 인가되면 V1도 GND로 귀결됩니다. 

가상 접지 개념을 이용해서 피드백 회로를 쉽게 이해할 수 있다. 여기서 피드백 회로는 정확히 Negative feedback을 말하는 것이며, 만약 Positive feedback이라면 회로는 발진하게 된다. 아무튼 OPAMP의 출력 신호인 Vout을 다시 '마이너스' 입력신호(V1)로 되먹임하는 것이 Negative feedback이다.

 

Negative feedback을 구성하는 방법은 두 가지 방식이 있으며, Inverting Amplifier와 Non-inverting Amplifier가 바로 그것이다.

 

 

위 회로 구성을 보면 마치 다른 형태처럼 보이지만 자세히 보면 동일한 형태를 가지는 것을 알 수 있다.

Non-Inverting Amplifier를 아래 그림과 같이 변형시킬 수 있다.

 

위처럼 변형된 Non-Inverting Amplifier는 Inverting Amplifier 형태와 동일한 것을 확인할 수 있으며, 차이점은 입력신호 V1과 GND의 위치가 서로 바뀐 것이라고 할 수 있다. 각 Amplifier에 대한 자세한 설명과 응용 방법은 다음 포스팅에서 작성하도록 하겠다.

 

*참고로 이 포스팅에 내용과 이미지는 아래 블로그에서 참고하였습니다.

analog-circuit-design.tistory.com/2

#1. OPAMP