[OPAMP] 에 대해서

 

 

Operational Amplifier의 약자로 연산증폭기라고도 불리며 본래 아날로그 컴퓨터용의 진공관이나 트랜지스터 회로이지만 일반적으로는 직접 회로화한 것을 가리키며 증폭회로, 비교회로, 아날로그 전자 회로에서 널리 쓰이고 있다.
OP-AMP는 원래 아날로그 계산기(현재는 디지털 계산기)용으로 개발되었지만 간단하게 사용할 수 있게 된 때부터
증폭기 뿐만 아니라 Active Filter,선형, 비선형의 신호처리에 넓게 응용되고 있다. 직류 증폭, 광대역 증폭, 발진 등에
많이 이용되며, 계산기 외에 측정기, 통신기, 오디오 등 넓은 방면에 이용되고 있다. 높은 직류 안정도, (고이득, 고입력)
임피던스, 저출력 임피던스의 특성을 가진다. 수백 종류 이상의 종류가 있으며 고성능 범용 증폭기라고도 한다.

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1. 특성에 따른 분류

1) 일반형

특정 용도가 지정되어 있지 않고 거의 모든 회로에 적용할 수 있는 op-amp로 안정성을 크게 하기 위해 대역폭이 낮 아져 있다. Dual type MC1458, JFET 입력의 LF351, TL081, 단일전원형으로 LM358(2904) 등이 주로 쓰인다. 가격 은 싸지만 성능은 나쁘다.

2) 고정밀형

주로 미소 신호 계측용으로 사용한다. noise, offset, bias 전류가 매우 작으며 특성 변동 (drift)가 매우 작다.
그러나 주파수 대역은 낮아서 GBP가 500kHz 부근이다. OP-07등 OP series가 이 계열이다. Mic 또는 sensor 신호증폭
과 같이 low level 신호를 low noise없이 증폭해야 하는 경우 적합하다.

3) 고속형

주파수 대역폭이 매우 넓은 광대역 증폭기로 GBP가 수십 MHz ~ 1GHz까지 된다. 속도는 빠른 대신 다른 특성이 나쁘다. 또 video 신호 증폭용과 같이 특정 용도가 지정된 것이 많다.

4) audio power Amp

audio 신호를 speaker로 출력하기 위한 amp로 주로 단일 전원으로 작동한다. 출력은 0.2W ~ 100W 정도까지 있다.
1W 미만으로 주로 쓰이는 것이 LM380, LM386 등이 있다.

2. 연산증폭기 기호

연산 증폭기는 2개의 입력 단자(+표시 비반전 입력단자) (- 표시의 반전 입력 단자)  하나의 출력 단자 그리고 2전원을
필요로 한다.

 

3. 연산증폭기의 특성

이상적인 연산증폭기의 특성은 다음과 같다.

① 전압이득이 무한대(∞)

② 입력임피던스 Zi가 무한대(∞)

③ 출력임피던스 Zo가 0

④ 통과 주파수 대역폭이 무한대(∞)

⑤ 차동증폭 회로 구성으로 되어 있다. (반전 ,비반전의 두 개의 입력핀을 가지고 있다.)

   이득은 무한대(증폭기 그 자신이 가지고 있는 증폭도는 매우 커서 평균적으로 승배)

⑥ 동상이득은 0

⑦ offset은 0
     (실제에는 직류를 포함하는 신호를 증폭하는 회로에 대해서 무신호시의 출력전압을 정확히 제로로
      에 내부 회로의 언밸런스에 의해 발생되는 부정전압(=offset)을 보정할 수 있도록 회로를 구성하는 것이 많다.)

◉. DataSheet 읽는 법

 - 전원접압(Vs) : 연산증폭기에 인가 할 수 있는 최대 전압.

- 내부소비전력(Pd) : 주어진 온도에서 소비 할 수있는 최대 전력.

- 차동입력전압(Vid) : 반전입력단자와 비반전 입력단자 사이에 인가 할 수있는 최대 전압.

- 동상입역전압(Vicm) : 두 입력단자와 GND 사이에 인가 될 수있는 최대 전압.

- 동작온도(Ta) : 연산증폭기 제조 규격내에서 동작 할 수있는 최대 주위 온도.

- 입력 오프셋전압(Voi) : 출력전압을 0으로 하기 위해서 두 입력단자 사이에 인가해야할 전압.

- 입력bais 전류(Ib) : 두 입력 단자를 통해 흘러 들어가는 전류의 평균값.

- 입력 offfset 전류(Ios) : 출력 전압이 0일 때, 두 입력 단자를 통해 흐르는 전류의 차이.

- 입력 공통성분 범위(Vcm) : 동상 입력 전압의 범위.

- 입력저항(Zi) : 입력단 접지 시 두 단자 사이에서 증폭기 내부로 들여다 본 저항 성분.

- 출력 단락 전류(Iosc) : 부하로 흘를 수 있는 최대 전류.

- 출력 전압 범위(Voma) : 주어진 부하저항 값에서 왜곡없이 얻을 수 있는 출력전압의 변화 최대값.

- 개방 전압이득(AoL) : 외부의 귀환회로가 없을 때 연산증폭기의 이득 Vs 신호 전압이득.

- 슬루우률(SR) : 연산증폭기의 이득이 1일 때, 출력전압의 시간에 따른 변화율.

- 동상제거비(CMRR) : 두 입력 단자에 동일한 신호를 동시에 인가했을 경우 입력신호에 의한 출력신호의 비. (dB 표현)

  

◉. OP-Amp off-set

1. 입력 오프셋(offset) 전압

입력 차동단의 두 transistor의 특성 mismatch 때문에 발생하며 일반적으로 mV를 가진다.

Offset voltage가 문제되는 경우 gain이 100이 넘을 경우, input voltage가 수십 mV이내의 DC인 경우, 적분기 사용한 경우이다.

특히 적분기는 응용에 따라서는 아예 사용이 불가능한 경우도 있다.

이상적인 연산증폭기은 두 입력전압이 모두 0V일 때, 출력전압은 0V이다. 그러나 실제의 연산증폭기는 입력이 0V일 때,
수 mV정도의 출력이 나타난다.

입력오프셋 전압이란 차동출력을 0V로 만들기 위해 두입력 단자 사이에 요구되는 차동 직류전압을 말한다.

 

2. 입력 오프셋 전류

입력단 transistor의 bias를 유지시키기 위해 입력 단자로 유입 또는 유출되는 전류로, 보통 이내이며 JFET 입력인 경우 수십 pA까지도 내려간다. 신호원 출력 임피던스가 매우 큰 경우 문제가 생긴다

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◉. 동상 입력 제거 비(CMRR)

OP Amp의 동상입력 전압을 전압 VICR의 범위한계까지 변화 시켰을 때 입력 오프셋전압 VIO에 생기는 변화 ΔVIO와 VICR 전압의 비를 말한다.

OP Amp는 차동 증폭 회로임에 따라 동상입력전압이 인가될 시 출력전압은 이상적으로는 제로이지만, 약간의 출력 전압을 발생시킨다. CMRR은 이러한 출력전압의 변화를 입력측의 Offset전압의 변화로 보지않고 VICR의 변화량과 거기에 따른 ΔVIO의비를 [dB]로 표현한다.

 

 

◉. 전원전압 변동 제거 비(PSRR)

전원전압이 변동하면 그 영향으로 출력전압도 다소 변화한다.

PSRR은 이러한 출력전압의 변화를 입력측의 전원전압 (Vcc)의 변화에 따른 ΔVO의 비(dB)로 표현한다.

 

◉. 전원공급전류(Icc)

동작중의 OP Amp가 무 부하 상태일 때 전원에서 공급되고 있는 직류전류로 전원전압이 높아짐에 따라 Icc 또한 증가한다.

 

◉. Output Voltage Swing(VOH, VOL)

OP-Amp의 증폭 가능한 최대 출력 전압(VOH) 및 Low Level 출력 전압(VOL)

 

◉. 슬루레이트(SR: Slew Rate)

OP-Amp의 입력전압이 어떤 속도로 변화했을 때 출력전압도 비례한 속도로 변화하여야 한다. 그러나 IC 내부회로의 추종성능의 제약으로 출력전압은 어떤 한계 값 이상으로 변화할 수 없다. 이 한계 값을 SR로 정의하며, 큰 진폭의 Step 입력전압 인가 시간 1us동안 몇 V의 변화로 추종하는가에 대한 수치이다. (대개 AV=1일 때를 표시함.)

 

◉. 이득 대역폭적(GBW)

반전증폭회로의 경우(그림) R2의 값을 변화 시 증폭도(Av)도 거기에 따라서 변화하는데 주파수가 높아지면 Av는 감소하기 시작하여 Av=1 (0dB)에 이른다. 이때의 주파수를 fT라하며, 개방이득이 3dB 저하하는 주파수(BW)와 그 점에서의 개방이득의 곱을 이득 대역폭적(GBW)라 한다.

 

◉. 세트링 타임(ts)

OP Amp의 과도특성을 나타내는 특성으로 계단입력전압에 대하여 출력전압이 안정화될 때까지 걸리는 시간을 라 한다.
이는 제조사별로 목표 값의 ±0.01%이내를 안정화의 지표로 삼거나, 목표 값에 대하여 1mV or 10mV 이내로 근접하기까지의 시간을 ts로 표시하는 등 다소 차이가 있다.

 

◉. 입력 환산 잡음 전압 (VNI)

+ 반도체에서 발생하는 잡음은 쇼트잡음(PN접합을 통과할 때 캐리어의 불규칙함에 기인)
+ 열 잡음 (캐리어의 열적인 불규칙함에 기인)
+ 1/f 잡음(주파수의 저하와 함께 증가하는 잡음)
+ 팝콘잡음(펄스상의 잡음)

등이 있다. 이것이 어느 정도 잡음의 실효 전압이 있는가를 나타낸다.

◉. OP-Amp 기본동작

  

 

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