Operational Amplifier (Op Amp)
2011. 1. 12. 21:05
OpAmp?
OpAmp는 말 그대로 이름 그대로 연산을 하기 위한 electronic device이다.
기본적으로는 다음과 같이 설명되고 있다.
연산증폭기(operational amplifier)는 연산을 위해서 사용할 수 있는 일종의 차동증폭기이다.
연산 증폭기(operational amplifier)란, 바이폴러 트렌지스터나 FET를 사용하여 이상적 증폭기를 실현시킬 목적으로 만든 아날로그 IC(Integrated Circuit)로서 원래 아날로그 컴퓨터에서 덧셈, 뺄셈, 곱셈, 나눗셈 등을 수행하는 기본 소자로 높은 이득을 가지는 증폭기를 말한다. 전압 또는 전류신호의 더하기, 빼기, 곱하기, 나누기 및 미분, 적분 등의 연산작업에 쓰이기 때문에 연산증폭기라는 이름이 붙었다. 요즈음은 여러 종류의 연산증폭기가 아주 싼 값에 공급되고 있기 때문에 아날로그 시스템 설계에 있어서 연산증폭기가 차지하는 비중이 상당히 커졌다.
연산 증폭기(operational amplifier)란, 바이폴러 트렌지스터나 FET를 사용하여 이상적 증폭기를 실현시킬 목적으로 만든 아날로그 IC(Integrated Circuit)로서 원래 아날로그 컴퓨터에서 덧셈, 뺄셈, 곱셈, 나눗셈 등을 수행하는 기본 소자로 높은 이득을 가지는 증폭기를 말한다. 전압 또는 전류신호의 더하기, 빼기, 곱하기, 나누기 및 미분, 적분 등의 연산작업에 쓰이기 때문에 연산증폭기라는 이름이 붙었다. 요즈음은 여러 종류의 연산증폭기가 아주 싼 값에 공급되고 있기 때문에 아날로그 시스템 설계에 있어서 연산증폭기가 차지하는 비중이 상당히 커졌다.
구조
맨 위의 그림을 참조하면 Inverting, Non-inverting Input이 있으며 Output이 존재한다.
그리고 Positive와 Negative Power Supply Terminal이 있다.
그림에는 표시되지 않지만 실제로는 Input과 Output 부분에 Offset null이 존재하며
NC라고 해서 회로와 연결되지 않은(Not connected) Terminal이 있다.
Offset null은 거의 영향을 미치지 않고 NC의 경우 회로와 연결되어있지 않기 때문에 영향을 끼치지 못한다.
따라서 대부분의 경우 이 세가지는 생략된다.
실제 회로를 그릴때는 간단하게 표시하기 위하여 두번째 그림과 같이 표시되며
각 Terminal에서의 전압과 전류의 notation은 세번째와 네번째 그림과 같다.
맨 위의 그림을 참조하면 Inverting, Non-inverting Input이 있으며 Output이 존재한다.
그리고 Positive와 Negative Power Supply Terminal이 있다.
그림에는 표시되지 않지만 실제로는 Input과 Output 부분에 Offset null이 존재하며
NC라고 해서 회로와 연결되지 않은(Not connected) Terminal이 있다.
Offset null은 거의 영향을 미치지 않고 NC의 경우 회로와 연결되어있지 않기 때문에 영향을 끼치지 못한다.
따라서 대부분의 경우 이 세가지는 생략된다.
실제 회로를 그릴때는 간단하게 표시하기 위하여 두번째 그림과 같이 표시되며
각 Terminal에서의 전압과 전류의 notation은 세번째와 네번째 그림과 같다.
동작
Output Voltage는 두개의 Input Voltage와 두개의 Power Supply로 결정된다.
기본적으로 OpAmp는 부품 자체적으로 Gain값을 가지고있다.
OpAmp의 Output Voltage는 보통 두개의 Input Voltage의 차이에 Gain값의 곱이다.
다만 이 Output Voltage는 한 없이 커질 수는 없는데, 다섯번째 그림의 그래프에서 이를 잘 보여주고 있다.
즉, Positive, Negative Power Supply에 연결된 전압이 각각 Output Voltage의 최대, 최소값이 되는 것이다.
이를 넘어가는 경우를 Saturation 되었다고 말한다.
Saturation 되지 않는 경우에는 비례하는(linear) 그래프를 보여주고 있다.
OpAmp의 Gain값은 일반적으로 10000을 넘기지 않는것이 보통이고,
OpAmp의 Output Voltage값이 20V를 넘지 않도록 권장하고 있기 때문에
두개의 Input Voltage의 차이는 2mV를 넘지 않아야 한다.
Ideal한 경우에서는 두개의 Input Voltage 차이가 없다. 즉,
위와 같이 생각할 수 있다. 우리는 이를 virtual short라고 부른다.
또한 회로의 안정화를 위해서 Negative feedback을 설치하게 되는데,
이는 두개의 Input Voltage의 차이를 감소시키는 역할을 한다. 구체적인 예제는 아래에서 더 자세히 설명하도록 한다.
일반적인 OpAmp에서, Input Voltage쪽에서 바라본 회로 전체의 저항이 1MΩ 정도로 매우 크기 때문에,
Input Voltage Terminal에서 OpAmp쪽으로 들어가는 전류는 아주 미미한 수준이다.
Ideal OpAmp에서는 이 전류를 0으로 잡는다. 다시 말해서,
위 식을 만족한다.
위의 두 식은, Ideal OpAmp에서 문제를 간단히 해결하는 열쇠가 된다.
이제 실제 Ideal OpAmp의 예제를 통해서 회로를 어떻게 분석하는지 알아보도록 하자.
Output Voltage는 두개의 Input Voltage와 두개의 Power Supply로 결정된다.
기본적으로 OpAmp는 부품 자체적으로 Gain값을 가지고있다.
OpAmp의 Output Voltage는 보통 두개의 Input Voltage의 차이에 Gain값의 곱이다.
다만 이 Output Voltage는 한 없이 커질 수는 없는데, 다섯번째 그림의 그래프에서 이를 잘 보여주고 있다.
즉, Positive, Negative Power Supply에 연결된 전압이 각각 Output Voltage의 최대, 최소값이 되는 것이다.
이를 넘어가는 경우를 Saturation 되었다고 말한다.
Saturation 되지 않는 경우에는 비례하는(linear) 그래프를 보여주고 있다.
OpAmp의 Gain값은 일반적으로 10000을 넘기지 않는것이 보통이고,
OpAmp의 Output Voltage값이 20V를 넘지 않도록 권장하고 있기 때문에
두개의 Input Voltage의 차이는 2mV를 넘지 않아야 한다.
Ideal한 경우에서는 두개의 Input Voltage 차이가 없다. 즉,
Vp = Vn
위와 같이 생각할 수 있다. 우리는 이를 virtual short라고 부른다.
또한 회로의 안정화를 위해서 Negative feedback을 설치하게 되는데,
이는 두개의 Input Voltage의 차이를 감소시키는 역할을 한다. 구체적인 예제는 아래에서 더 자세히 설명하도록 한다.
일반적인 OpAmp에서, Input Voltage쪽에서 바라본 회로 전체의 저항이 1MΩ 정도로 매우 크기 때문에,
Input Voltage Terminal에서 OpAmp쪽으로 들어가는 전류는 아주 미미한 수준이다.
Ideal OpAmp에서는 이 전류를 0으로 잡는다. 다시 말해서,
ip = in = 0
위 식을 만족한다.
위의 두 식은, Ideal OpAmp에서 문제를 간단히 해결하는 열쇠가 된다.
이제 실제 Ideal OpAmp의 예제를 통해서 회로를 어떻게 분석하는지 알아보도록 하자.
분석
위 회로에 쓰인 OpAmp를 Ideal OpAmp라고 생각하자.
먼저 Vp가 Ground에 연결되어있기 때문에,
Vp = Vn = 0, ip = in = 0 이다.
Vn의 노드에서 Node-voltage Method를 이용해서 다음과 같은 식을 쓸 수 있다.
Ideal OpAmp에서는 거의 대부분 Node-voltage Method를 사용하면 문제가 쉽게 해결된다.
다만 주의해야할 점은 Vo가 Saturation에 포함되는 경우를 제대로 고려해 주어야 한다는 점이다.
예를 들어 Vs가 -3V라면 Vo는 15V라고 계산되지만 Saturation 되는 바람에 실제 Output은 10V가 되는 것이다.
위 회로에 쓰인 OpAmp를 Ideal OpAmp라고 생각하자.
먼저 Vp가 Ground에 연결되어있기 때문에,
Vp = Vn = 0, ip = in = 0 이다.
Vn의 노드에서 Node-voltage Method를 이용해서 다음과 같은 식을 쓸 수 있다.
Ideal OpAmp에서는 거의 대부분 Node-voltage Method를 사용하면 문제가 쉽게 해결된다.
다만 주의해야할 점은 Vo가 Saturation에 포함되는 경우를 제대로 고려해 주어야 한다는 점이다.
예를 들어 Vs가 -3V라면 Vo는 15V라고 계산되지만 Saturation 되는 바람에 실제 Output은 10V가 되는 것이다.