[학부 과정] 전자회로 op-amp [1]

  연산 증폭기는 2개의 입력 전압 차를 증폭하여 하나의 출력신호를 만들어내는 집적회로이다.

아날로그 전자회로에서 많이 사용되고 있으며 BJT나 FET처럼 많이 사용되는 또 하나의 전자소자이다.

초기에는 미분방정식이나 적분방정식을 풀기 위해 수학적 연산을 수행하는 아날로그 컴퓨터로 사용되었다.

연산 증폭기의 이상적인 특성을 개발함으로써 연산 증폭기 회로의 설계에 이러한 이상적인 특성들을 보다 편리하게 적용할 수 있다.

 

op-amp는 실무에서도 많이 나오는 내용이기 때문에 이 수업을 통해 기본을 다지는 것을 목표로 한다.

 

1. 이상적인 연산증폭기의 특성과 회로의 해석 방법

2. 반전 연산 증폭기의 특성에 대한 해석 및 이해

3. common-mode 증폭기 및 계측 증폭기와 같은 여러 가지 이상적인 연산 증폭기 회로의 해석

4. 외부에서 캐패시터나 저항이 부착되면 어떻게 되는지

5. 정밀한 op-amp를 설계하기 위한 분석

6. 복잡한 op-amp를 디자인하는 법

7. 비이상적인 특성들로 op-amp의 작동이 어떻게 제한되는지

 

바이폴라 트랜지스터 파트는 다음 학기 output stages and power amplifiers 챕터에서 배운다. 

특별히 ch5. MOSFETs 부분을 열심히 다룰거다.

 

신호의 관점에서 볼 때, op-amp의 신호단자는 크게 2개의 입력단자와 1개의 출력단자로 구성되어있다.

하지만 정상적으로 동작하기 위해서는 바이어스 전압이 인가되어야한다.  때문에 외부에서 직류전압을 공급해줘야 한다.

연산 증폭기는 양전원과 음전원으로 바이어스가 되어 있어서 대부분 연산증폭기를 direct-coupled 소자라고 한다.

그러므로, v1과 v2는 직류 전원일 수 있으며, 이 경우 출력 역시 직류 전압이다.

 

연산 증폭기는 보통 20~30개의 트랜지스터로 구성되어있다. 그리고 이상적인 동작 특성때문에 몇개의 파라미터를 가지고 있다.

 

연산증폭기의 또 다른 특성은 주파수 응답, 즉 대역폭을 설계에 고려해야 한다. 

 

 

 

 

이상적인 파라미터

1.

입력 단자 사이의 입력 저항은 무한대이다. -> 두 입력단자에 흐르는 전류는 0이다.

 

유도 과정은 후에 이미지 삽입

 

또한 출력단자가 이상적인 전압원으로 동작하며, 이는 연산증폭기의 출력저항이 0을 의미한다.

 

2.

Aod는 무한대이다.

 

3. 출력전압은 A(v2-v1)이다.

두 입력 신호의 전압이 같아서 출력 전압이 0이다. (공통모드제거 common mode rejection)

연산 증폭기의 출력은 2개의 입력신호의 차이에 의해 결정되므로, 전압이 같으면 출력 전압은 0이다.

그렇다면 두 입력 신호의 전압이 같지 않다면 common-mode 라고한다. 

 

4. 

주파수 응답, 즉 대역폭은 무한대로 간주하여 주파수 특성을 무시한다. 

퓨리에 트랜스폼을 통해 주파수측으로 볼건데 무수히 많은 주파수 성분이 있는데 이를 보기 위해 대역폭을 무한대로 간주해야한다.

만약에 신호가  lowpass 필터 특성을 가진 op-amp를 지나면 도중에 잘리는데 bandwidth가 무한대이 넓어야 좋다. 

 

 

개방회로 (open-loop)

 

- : 반전 입력 단자

+: 비반전 입력 단자

Aod: 차동 전압 이득 (gain)

Vid: differential 차잇값

Vicm:common mode 산술평균