[회로이론] 연산증폭기(op amp)

이번에는 연산증폭기에 대해서 알아보자. 연산증폭기는 입력단자 간의 전위차보다 매우 큰 출력전압을 출력한다는 것에서 사용의미가 있다. 특히 어떤 출력을 증폭시키거나 신호를 증폭시킬 때(gain을 만들어주는 역할) 매우 많이 사용되는 소자 중 하나이다. 회로설계분야에서 많이 사용되는 소자이므로 이 소자에 대해서 기본적인 특성에 대한 해석을 알아야 할 필요성이 있다.

각 입/출력 명칭

각 단자를 연결한 모습

위와 같이 입/출력 단자가 존재하고 연결된다. 일반적으로 입력단자 2개 전압공급 2 단자 출력 1 단자로 구성된다. 

입력에 대한 출력전압 그래프를 살펴보자. 그래프상에서 (-Vcc/A)~(Vcc/A) 영역에서 선형영역으로 동작하는 것을 주목하자. 실제적으로 vp-vn이 매우 작을때 연산증폭기 소자는 선형영역에서 동작하는것을 관찰할 수 있고 이 영역이 아니라면 더 이상 비선형으로 동작한다는 것을 알 수 있다. 이때 A는 opamp의 gain을 의미하며, 설계자가 의도에 따라 임의적으로 설정할 수 있는 값임을 알아두자. 

 

#이상적인 앰프의 조건

이상적인 앰프는 선형영역에서 동작한다는 것을 의미하며, 이 선형시스템에서 동작하기 위해서 입력전압과 입력전류의 조건이 존재한다. 

 

1. 입력전압제한

통상적으로 이득 A는 입력전압들에 비해서 매우 크기 때문에 두 전압입력단자는 거의 같은 값이 여야 앰프가 선형영역에서 동작할 수 있다.

 

2. 입력전류제한

마찬가지로 옴의 법칙을 이용하면 입력전류는 거의 흐르지 않아야 선형적으로 앰프가 동작할 수 있다는 것을 확인할 수 있다. 

 

#수식의 적용

반전증폭기 회로

먼저 간단한 반전증폭기회로를 앞서 설명한 조건들과 수식을 이용해 공식을 유도해 보자.

앞서 설명한 두 조건과 KCL을 이용해서 간단하게 출력전압에 대한 식이 유도되었다. 공식을 살펴보면 두 저항의 비가 입력전압에 대한 gain처럼 동작한다는 것을 확인할 수 있다. 특히 앞에 부호가 -가 붙어있는 것을 확인하자. 따라서 공식의 형태가 Vout=-A * Vin과 같이 입력전압에 게인이 곱해지고 부호가 반대로 출력된다는 것을 알 수 있다.