OP AMP 연산 증폭기 종류 정리와 특성 쉽게 이해하기

안녕하세요! 오늘은 OP AMP에 대하여 알아보도록 하겠습니다.

OP APM는 Operation Amplifier 입니다. 연산 증폭기를 뜻합니다.

간단히 설명하자면 연산 증폭기는 신호를 증폭하는 기능과 연산을 할 수 있는 기능을 가진 하나의 집적 회로입니다.

그럼 연산증폭기가 어떤 특서잉 있고 어떤 증폭기가 있는지 알아보도록 하겠습니다.

차례

1. 연산증폭기와 특성

2. 연산증폭기 종류

1. 연산증폭기와 특성

OP AMP의 기본 개념도입니다.

증폭기의 목적은 다음과 같습니다.

첫번째 : 전원전압으로 최대한 많은 전압을 받아 RL(VL)에 보내주기 위함 입니다.

두번째 : 전압이득(A)를 적절히 조절하기 위함 입니다.

연산 증폭기의 회로기호는 다음과 같습니다.

보통 디지털회로에서 3각 기호는 버퍼를 의미하지만, 아날로그 회로에서는 증폭기를 의미합니다.

OP AMP는 2개의 입력 단자와 1개의 출력 단자를 가진 증폭기입니다.

입력 신호를 +단자에 가하면 출력에는 입력과 동위상의 출력이 나타나고,

-단자에 가하면 입력과는 역상의 신호가 출력됩니다.

그러므로, -단자를 반전 입력 단자, +단자를 비반전 입력단자라고 합니다.

위 그림은 연산증폭기의 등가모델입니다. 이 그림으로 연산증폭기의 특징을 알아보겠습니다.

먼저 연산 증폭기에서 큰 전압을 끌어오기위해서는 Rin에 걸리는 전압이 최대한 커야합니다.

그렇기 때문에 Rin은 최대한 커야하고 그래서 이상적인 연산증폭기의 입력 임피던스는 무한대입니다.

그다음 비슷하게 Vout에 전압을 온전히 보내주기 위해서는 Rout에 걸리는 전압이 최대한 낮아야하고,

그렇기 때문에 이상적인 출력 임피던스 Rout은 0입니다.

그리고 이상적인 OP AMP에서 이렇게 얻어지는 증폭 전압의 이득의 크기는 무한하다고 봅니다.

정리하자면

(1) 입력 임피던스는 무한대다.

(2) 출력 임피던스는 0이다.

(3) 전압이득은 무한대이다.

2. 연산증폭기 종류

1) 반전 증폭기

반전 입력 단자 (-)에 입력을 가하여 증폭 작용을 하는 회로를 '반전 증폭 회로'라고 합니다.

왼쪽 그림과 같이 (-)에 저항을 접속하고 (+)단자를 접지하여 사용합니다.

우선 증폭회로를 해석하기 전에 알아두어야 할 사항이 있습니다.

OP AMP에 전류는 거의 유입되지 않습니다.  그 이유는 앞서 말한 OP AMP의 입력 임피던스가 무한대에 가깝기 때문입니다.

그리고 OP AMP의 단자 사이는 마치 단락된 것과 같은 상태로 작용합니다. 이를 가상단락(imaginary short)라고 합니다.

그렇기 때문에 Vn = Vp로 볼 수 있습니다.

전압증폭도를 계산하는 방법입니다.

반전 증폭 회로의 입력 단자에서 전류 i1이 흐르는데 앞서 말했듯이 OP AMP의 큰 임피던스 때문에 앰프로 전류가 흐르지 않습니다.

그러므로 i1의 전류는 if와 같다고 볼 수 있습니다.

그래서 R1에 흐르는 전류와 if에 흐르는 전류가 같다는 식을 세우면

(V1 - Vn) / R1 = (V1 - V0) / Rf 라는 식이 나옵니다.

여기서 가상단락에 의해 Vn = Vp 인데 (+)단자는 접지 역할을 하므로 Vn = Vp = 0 가 됩니다.

그래서 위 식을 정리하면 V0 = - (Rf/R1)*V1 이 됩니다.

여기서 -는 반전을 뜻하고, (Rf/R1)은 전압증폭도를 뜻 합니다.

2) 비반전 증폭 회로

비반전 증폭기는 입력 단자 (+)에 입력을 가해 증폭 작용을 하는 회로입니다.

반전 입력 (-)측에 저항을 접속하여 접지합니다.

앞서 설명한 반전 증폭기와 같이 앰프에 전류가 흐르지 않으므로 i1 = if가 됩니다.

그러므로 n에 걸리는 전압은 저항에 분압된 전압과 같게 됩니다.

그러므로 Vn = ( R1 / (R1 + Rf) ) *V0 가 됩니다.

근데 가상 단락으로 인하여 Vn = V2가 되므로

V2 = ( R1 / (R1 + Rf) ) *V0가 되고 정리하면

V0 = ( (R1 + Rf) / R1 ) * V2가 됩니다.

즉 전압 증폭도는 (R1 + Rf) / R1가 됩니다.

3) 차동 증폭 회로

차동 증폭 회로는 두개 입력 차를 종폭하는 증폭기입니다.

차동 증폭기에서 전압증폭도를 계산하는 과정은 위 그림에 잘 나타나져있습니다.

간단하게 말하자면 v1 입력에서는  전류가 일정하다는 것으로 식을 하나 구하고

v2 입력에서는 분압된 전압을 구하는 식으로 식을 하나 구해서 연립하면

V0 = (Rf / R1) * (V2 - V1)라는 식이 나옵니다.

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이번글에서는 OP AMP가 무엇인지, 또 그 증폭기가 종류와 전압증폭도에 대해서 알아보았습니다.

감사합니다.