31. OP-AMP

1. OP-AMP란? 

OP-AMP(연산 증폭기)는 전자 회로에서 가장 널리 사용되는 아날로그 요소 중 하나이며 매우 높은 이득과 낮은 출력 임피던스를 갖는 집적 회로입니다. OP-AMP는 2개의 입력단(반전 입력과 비반전 입력)과 1개의 출력단을 가지고 있으며, 이상적으로는 무한 이득, 무한 입력 임피던스 및 0 출력 임피던스로 설계됩니다. 따라서 OP-AMP는 입력 신호를 증폭하거나 비교, 필터링 및 신호 처리와 같은 다양한 연산 기능을 수행할 수 있습니다.

 

2. OP-AMP의 기본 원리

OP-AMP는 내부의 고이득 증폭기를 이용하여 두 입력 단자 간의 전압 차이를 증폭합니다. 이상적인 OP-AMP는 입력 신호의 차이가 아주 작아도 매우 큰 출력 신호를 생성할 수 있으며, 외부 피드백 회로를 통해 이득을 조절할 수 있습니다. 이러한 특성 덕분에 OP-AMP는 반전 및 비반전 증폭 회로를 포함한 다양한 회로 구성에 널리 사용됩니다.

3. OP-AMP 응용 회로 종류
3.1 반전 증폭기 (Inverting Amplifier)
반전 증폭기는 OP-AMP 반전(위상 반전 180도)을 이용해 신호를 입력하는 회로입니다. 이 회로에서 입력 신호는 저항입니다.  이 회로에서는 입력 신호가 저항 Rin 을 통해 반전 입력 단자로 들어가고, 출력 전압은 피드백 저항 Rf를 통해 반전 입력에 연결됩니다. 반전 증폭기의 이득(증폭도)은 다음과 같이 간단하게 계산할 수 있습니다.

여기서 𝐴𝑣 는 증폭도이며, 음수 부호는 출력 신호의 위상이 입력 신호와 반대임을 나타냅니다.

예를 들어, 𝑅𝑓=10kΩ 이고  𝑅in=1kΩ 라면 증폭도는  −10이 되어, 입력이 1V일 때 출력은 -10V가 됩니다.

3.2 비반전 증폭기 (Non-Inverting Amplifier)
비반전 증폭기는 입력 신호를 비반전 입력 단자에 직접 연결하여 증폭하는 회로입니다. 이 경우 출력 신호는 입력 신호와 동일한 위상을 유지합니다. 비반전 증폭기의 이득은 다음과 같이 계산됩니다.

예를 들어, 𝑅𝑓=9kΩ 이고 𝑅in=1kΩ 인 경우, 증폭도는 1+9=10 이 되어, 입력 신호 1V가 10V로 증폭됩니다.

비반전 증폭기는 높은 입력 임피던스를 제공하여 신호원에 부하를 덜 주기 때문에 정밀 계측 회로나 신호 버퍼링에 적합합니다.

3.3 차동 증폭기
차동 증폭기는 두 입력 신호 간의 차이를 증폭하는 회로입니다. 이 회로는 노이즈 제거 및 정확한 신호 증폭에 도움이 되며 센서 신호 또는 평형 신호를 처리하는 데 자주 사용됩니다. 두 입력 간의 차이를 증폭하여 불필요한 공통 모드 신호(노이즈)를 제거할 수 있습니다.

3.4 합산 증폭기 (Summing Amplifier)
가산 증폭기는 여러 입력 신호를 가중치에 따라 가산하여 출력 회로를 형성하는 것입니다. 이 회로는 오디오 믹스, 제어 신호 생성, 신호 처리 및 기타 응용 분야에서 유용하며 여러 신호를 단일 신호로 통합할 때 효과적입니다.

3.5 적분기 및 미분기(Integrator & Differentiator)
OP-AMP의 적분기 회로를 사용하여 입력 신호를 적분하고 시간이 지남에 따라 누적 값을 출력합니다. 대신, 미분 회로는 입력 신호의 변화율을 계산하여 출력합니다. 이 두 회로는 신호 처리, 제어 시스템 및 필터 설계에서 중요한 역할을 하며 아날로그 계산기 또는 시간 신호 처리에 사용됩니다.

4. OP-AMP 선택 및 디자인 고려
OP-AMP를 선택할 때 여러 요소를 종합적으로 고려해야 합니다.

 4.1 배율과 대역폭
피드백 저항과 입력 저항은 원하는 증폭도에 따라 결정되며 고속 신호 처리 응용 프로그램에서 충분한 대역폭의 OP-AMP를 선택해야 합니다.
입력 임피던스와 출력 임피던스 이상적인 OP-AMP는 입력 임피던스가 높고 출력 임피던스가 낮지만 실제 제품에서는 이러한 값이 제한적이므로 회로 설계 시 고려해야 합니다.

 

4.2 전력소모
휴대용 장치 또는 배터리 구동 시스템에서 낮은 전력 소비는 매우 중요합니다. 따라서 저전력 OP-AMP를 선택하는 것이 좋습니다.

 

4.3 소음 특성
신호 품질이 중요한 응용 분야에서는 전기 잡음이 적은 OP-AMP를 사용하는 것이 필수적입니다.

 

4.4 포장 및 크기
소형화가 필요한 경우 SMD 형태의 OP-AMP에 적합하며 PCB 공간과 방열 특성을 고려하여 적절한 포장을 선택합니다.

 

4.5 온도와 환경조건
온도 변화에 민감한 응용 분야에서는 온도 안정성이 좋은 제품을 선택해야 하며 환경 조건에서의 내구성도 매우 중요합니다.

5. 결론
OP-AMP는 전자 회로 설계의 핵심 구성 요소로 반전 증폭기, 비반전 증폭기, 차동 증폭기, 총합 증폭기, 적분기 및 미분기와 같은 다양한 응용 회로를 구현할 수 있는 다기능 요소입니다. 반전증폭기는 입력신호의 위상을 반전시키면서 증폭하는 기능이 있고, 비반전증폭기는 입력신호의 위상을 유지하면서 증폭하는 특성이 있어 다양한 응용분야에서 유용하게 사용되고 있습니다.

또한, 차동 증폭기와 총합 증폭기는 복잡한 신호 처리 및 제어 회로에서 필수적인 역할을 하며, 적분기와 미분기는 아날로그 신호의 시간 변화를 계산하여 제어 시스템에 중요한 정보를 제공합니다. 전자 장비의 소형화, 고속화 및 저전력 소비로 인해 OP-AMP의 선택과 설계는 회로의 안정성과 성능을 결정하는 중요한 요소입니다.

회로 설계자와 엔지니어는 시스템 요구 사항을 결합하고 증폭도, 대역폭, 입출력 임피던스, 전력 소비, 노이즈 특성 및 기타 요소를 종합적으로 고려하여 최상의 OP-AMP를 선택해야 합니다. 미래에 OP-AMP는 다양한 응용 분야에서 전자 시스템의 핵심 역할을 계속 발휘할 것으로 기대되며, 새로운 반도체 기술의 발전에 따라 더욱 정밀하고 효율적인 신호 처리를 실현할 것입니다.