[OP-AMP] Operating Amplifier 기본 회로(2)

 

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지난 번 OP-AMP의 기본회로 챕터에서는 OP-AMP의 기본적인 이해에 대해 다루었습니다. 이번 챕터에서는 기본적인 OP-AMP 회로와 동작에 대해 살펴보겠습니다.

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※1. OPAMP 기본 회로 구성

OPAMP는 일반적으로 입력단, 이득단, 출력단으로 구성되어 있습니다.

▶1. 입력단

  차동 증폭단으로 구성되어 있는 회로로 입력단의 +Vin과 -Vin간 전압차이를 증폭시킵니다. 이때 동상 신호 성분( +Vin과 -Vin간 전압차가 없거나 동등한 경우의 신호)이 입력될 떄는 증폭되지 않고 소거된다.

 

 

▶2. 이득단

  이득단은 입력된 신호를 증폭하여 출력에 전달합니다. 이 부분에서 입력 신호는 증폭되며, 일반적으로 이 부분에서 증폭이 주로 이루어집니다. 오픈 루프(Open Loop) 상태에서는 매우 높은 증폭이 이루어질 수 있습니다. 이때 신호의 과도한 증폭에 따른 발진의 방지를 위해 위상 보상 용량 커패시터를 사용합니다.

 

 

▶3. 출력단

출력단은 이득단에서 증폭된 신호를 최종적으로 출력으로 내보내는 역할을 합니다. 이 부분은 일반적으로 증폭된 신호를 전력에 맞게 변환하여 외부 회로에 전달합니다. 때로는 출력 단에서는 부하에 따라 적절히 전압 레벨을 맞추기도 합니다.

 

 

 

다음은 ROHM사의 BA4558 OPAMP입니다. 위의 내용과 대조해서 확인해 보시길 바랍니다.

+)위상보정용량(위상보정커패시터)란?

 

: 고주파에서는 케이블이나 다른 부품들의 영향으로 인해 약간의 위상 차이가 발생할 수 있습니다. 이러한 경우 위상 보정용 커패시터를 사용하여 입력과 출력 사이의 위상 차이를 보정할 수 있습니다.

 

이러한 위상 보정용 커패시터는 일반적으로 앰프의 불안정성을 최소화하고 고주파 특성을 향상시키는 데 도움이 됩니다. 그러나 사용되는 회로의 특성에 따라 실제로는 다양한 용도로 사용될 수 있습니다.

 

 

 

 

위에나오는 Vcc Vee와 같은 전원 부호는 아래를 참조해주세요.

https://semicircuit.tistory.com/16

 

 

 

 

 

※2. 대표적인 OP-AMP의 파라미터

OPAMP를 설계하는 과정에서 목표가 되거나 설정 값이 되는 파라미터에는 다음의 것들이 있습니다.

 

▶1. Power [ 전력 ]

  OP-AMP가 소비하는 전력을 나타냅니다. 작동 전력이 적을수록 전력 소비가 적고, 따라서 에너지 효율성이 높습니다.

전력 = (회로에 전체 전류량) X (전원 전압)입니다. 당연히 낮은 전력을 사용할 수록 크기가 작을수록 적은 에너지에서 원하는 동작을 할수 있으므로 긍정적입니다.

 

 

▶2. Speed [ 속도 ]

  OP-AMP 의 반응 속도를 나타냅니다. 고속 OP-AMP는 빠른 신호처리와 더 높은 대역폭을 제공할 수 있습니다. OP-AMP를 설계하는 과정에서 Capacitor를 사용하는데 이때 Capacitance의 크기가 클수록 저장용량이 에 따라 Speed는 낮아지는데 회로에 흐르는 전류의 크기가 클수록 Capacitance를 빠르게 채울 수 있어 속도는 빨라진다.

 

 

▶3. Gain [ 이득 ]

  OP-AMP의 이득은 입력과 출력 사이의 전압 또는 전류의 비를 나타냅니다. 높은 이득은 입력 신호를 증폭할 수 있는 더 강력한 OP-AMP를 의미합니다. OP-Amp에서 Gain을 높이기 위해 High Gain을 하는 First Stage와 High Swing을 하기 위한 Second Stage를 사용하여 Two Stage OP-AMP로 설계합니다.

 

 

▶4. Linearity [ 선형성 ]

  OP-AMP의 입력과 출력 간의 관계가 선형적인 정도를 나타냅니다. 선형성이 높을수록 입력과 출력 사이의 관계가 정확하게 유지됩니다. Linearity는 Noise와도 관계있어 Linearity가 높을수록 일반적으로 Noise 특성도 좋아집니다.

 

▶5. Area [ 면적 ]

  칩의 물리적 크기를 나타냅니다. 작은 칩은 공간 절약에 도움이 되며, 더 밀도 높은 회로 설계를 가능하게 합니다. 현대 반도체 공정에서 회사의 칩의 크기는 분명한 경쟁력입니다. 면적이 작을수록 같은 면적의 웨이퍼에 더 많은 생산이 가능하여 시간적 비용적 이득을 나타내면서도 하나의 제품을 더 작게 생산해 낼 수 있음을 의미합니다.

 

▶6. Noise [ 노이즈 ]

  출력에 추가되는 잡음 수준을 나타냅니다. 낮은 잡음은 정확한 신호 처리를 위해 중요합니다. 신호처리하는 과정에서 노이즈는 골치 아프게 합니다. 노이즈는 신호처리 과정에서 가장 먼저 제거되어야 하는 특성이지만 원래 신호와 구분이 어려운 노이즈는 엔지니어를 골치 아프게 합니다.

 

 

▶7. Voltage Swing [ 전압 스윙 ]

  OP-AMP가 처리할 수 있는 입력 및 출력 전압의 범위를 나타냅니다. Voltage Swing은 일반적으로는 입력부에서 Swing과 Output에서 Swing를 따지게 됩니다. 너무 좁은 Swing Range는 신호 처리 과정에서 샘플링 간격이 너무 좁게 되고, 너무 큰 Swing Range는 비선형 소자의 Cut-Off Region으로 닿게 되면서 사용하지 못하게 될 것입니다.

 

▶8. Supply Voltage [ 공급 전압 ]

  OP-AMP가 동작하기 위해 필요한 전원 공급 전압을 나타냅니다. OP-AMP는 주어진 공급 전압 범위 내에서 작동해야 합니다. 우리가 아두이노, 라즈베리파이, 제슨 등의 임베디드 보드를 사용할 때 주고 5[V] 또는 3.3[V]로 다양한 모듈을 제어합니다. 다만 저전력 설계는 에너지 효율, 열 관리, 경제성, 내구성 등의 다양한 부분에서 이점이 있기에 현재 저전력 설계를 위한 연구와 개발은 계속 이어지고 있고 지속적으로 Supply Voltage는 작아지고 있습니다.

 

 

+) 추가적으로 Area 대신 I/O Impednace를 8가지 파라미터로 사용하는 경우도 많습니다. I/O Inpedance는 어떤 전자 장치의 입력 또는 출력에서 볼 수 있는 전기적인 특성을 나타냅니다. 이는 해당 장치가 외부 회로나 다른 장치와 상호 작용할 때 전기적인 상호작용을 설명하는 중요한 개념입니다.

 

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다음의 파라미터는 서로 Trade-Off r관계가 있고 OP-Amp의 사용 목적이나 환경에 따라 내가 원하는 설계 조건을 선택해야 합니다. 자세한 내용은 아래 내용을 확인해주세요.

https://blog.naver.com/circuit_design/223415385133

아날로그 회로의 Trade-Off와 Parameter

 

 

다음번 포스트에서는 OP-Amp에 대한 출력 특성을 알아보겠습니다. 감사합니다.