OP-amp 간단한 복습/ 전자회로2에 필요한 전자회로1

다음 정리한 내용은 전자회로1에서 배우고 넘어가지 않았으므로 집고 넘어가 보자

OP Amp (Operational Amplifier: 연산 증폭기)는 고입력 저항, 저출력 저항, 개방 이득(Open Loop Gain)을 가지고 +입력단자(비반전 입력단자)와 -입력단자(반전압 입력단자) 간의 전압 차이를 통해 증폭하는 기능을 증폭기를 말합니다.

여기서 우리는 입력된 전압이 내부를 통해 출력된 전압이 최대가 되도록 증폭해야하므로 이상적인 op-amp는 전압을 넣어주면 큰 전압이 vin에 걸리도록 하기 위해 무한대로 두고 매우 큰 저항을 Rin(무한대)에 넣어주고 최대한 많은 전압을 출력으로 꺼내야 하기 때문에 Rout(0)에 매우 작은 저항을 두고 G(open-loop gain)즉 이득이 되는 부분으로 이부분은 무한대로 둔다. 이 G가 문제가 있는데 무한대의 이득을 원하지 않기 때문에 이상과 실제와 괴리감이 조금 다를 수 있기에 회로를 최대한 맞게 구성하게 한다.

그리고 이 OP-amp는 위에서 보인바와 같이 V+, V-, Vs+, Vs-, Vout의  5개의 단을 가지는 형태로 구성된다.

그중 입력단은 V+(비반전 입력단자)와 V-(반전 입력단자)가 있으며 동작원리를 살펴보면

위에서 AoL은 G의 이득을 나타낸것이며 위와 같은 식의 원리를 가진다. 이 식을 통해 반전과 비반전 증폭기에 대해 설명할 수 있는 중요한 기반식이 된다.

이를 통해 반전, 비반전 증폭기에 대해 설명할 수 있다.

우선 비교기부터 차근차근 보도록 하겠다.

1. 비교기의 경우 

OP-amp의 경우 +쪽에는 Vs+, -쪽에는 Vs-의 전압원이 있는 단자가 있으며 이때

입력의 V+가 V-보다 클 경우 Vout = Vs+의 전압을 띠며

입력의 V-가 V+보다 큰 경우 Vout = Vs-의 전압을 띠는 성질을 가진다.

즉 위의 그림의 경우 V+>0인 경우, V+<0인 경우로 나누어 설명할 수 있다.

 

2. 버퍼에 대해서도 알아보도록 하자

 위의 비교기와 기반이 된다고 언급했던 식을 이용하여 수식적으로 나타내면 다음과 같다.

V- = Vout임을 비교기의 성질을 통해 확인할 수 있으며

V+ = Vin임을 바로 알 수 있다.

이때 기반이 되는 식에 대입해보자

단 AoL은 매우 큰 수이므로 결국 Vout은 Vin에 수렴하여 같은 결과를 출력하는 버퍼의 역할을 하는 것을 알 수 있다.

즉 이득이 되는 Gain=1이 된다.

여기서 조금더 나아가서 Vout과 V-사이에  β 배만큼 증가시켜주는 무언가가 있다고 해보자

이를 통해 V- =  β*Vout이 되며 버퍼와 같은 원리로 식을 정리하면

Vout = 1/β*Vin이 된다.

그렇다면  이제 다음과 같이 비반전 증폭기에 대해 살펴보자

이때 이 식을 정리하면 전압 분배법칙에 의해 

V- = Vout*Rg/(Rg+Rf)가 된다. 즉 위에서 설명한 피드백의 β = Rg/(Rg+Rf)로

설명 한다면 이를 통해 이 비반전 증폭기의 경우 위와 같이 정리 하면 

다음과 같이 설명할 수 있음을 확인할 수 있다.

이때 이득은 아래와 같이 나타나 지는 것을 non-inverting amplifier이라 한다.

그렇다면 inverting amplifier는 무엇인가 

말 그래도 non-inverting ampilifier와 반대로 스위칭 해준 것으로 Vin이 V-에 연결된것을 말한다. 

이때 전압이득을 계산해보면 위의 식과는 달리 Vin과 Vout이 모두 들어있으므로 둘 중에 어떤전압이 더 큰지

헷갈리게 된다 이를 쉽게 보기위해 각각 한쪽씩 전압을 GND처리하여 중첩의 원리(모른다면 회로이론 복습)를 통해 그때의 전압을 더하면 쉽게 다음과 같은 식을 얻어낼 수 있다.

그렇다면 이식을 기반이 된다는 식인

이 식에 넣어 정리하면 

이 식과 같이 나타낼 수 있으며 이때 이상적으로 보았을 때 AoL이 무한대이므로

다음과 같을 식을 도출 할 수 있다.

 

 

*전자회로2에 필요한 부분만 보자*

-BJT의 필요부분

-MOS의 필요부분