📕 유데미 강의, "The Complete Electronics Course: Analog Hardware Design" 를 보고 정리한 글입니다. (강력 추천). 실습으로는 falstad 라는 간단한 시뮬레이터를 사용합니다.
Op-Amp 소개
연산증폭기라고 불리는 이유
Op-Amp는 연산증폭기(Operational Amplifier)의 약자입니다. 연산증폭기라고 불리는 이유는 과거에 이 소자가 아날로그 컴퓨터에서 수학적 연산을 수행하기 위해 개발되었기 때문입니다.
구체적인 이유는 다음과 같습니다.
- 수학적 연산 수행: 초기 전자공학 시대에 덧셈, 뺄셈, 미분, 적분과 같은 수학적 계산을 처리하기 위해 사용되었습니다.
- 아날로그 컴퓨터의 핵심: 디지털 컴퓨터가 보편화되기 전, 미분 방정식을 풀거나 복잡한 시스템(예: 항공기 궤적)을 시뮬레이션하던 아날로그 컴퓨터의 기본 구성 요소였습니다.
- 회로 구성의 유연성: 외부 저항이나 커패시터 같은 수동 소자를 어떻게 연결하느냐에 따라 증폭기뿐만 아니라 필터, 비교기 등 다양한 기능(Operation)을 수행할 수 있어 이 이름이 붙었습니다.
💻 이미지 출처: https://www.matrixsynth.com/2008/01/csi-analog-computer.html
오늘날에는 이러한 수학적 계산은 CPU에서 실행되는 소프트웨어로 수행될 수 있다보니 계산용보다는 신호 증폭이나 필터링 등 일반적인 전자 회로 설계에 더 많이 쓰이게 되었습니다.
증폭기로서의 Op-Amp
그러면 증폭기로서의 Op-Amp를 살펴보겠습니다. 무엇을 증폭하나요? Op-Amp는 두 입력 단자의 '전압 차이'를 증폭합니다. 차동 증폭(Differential Amplification)이라고 해서 두개의 입력 핀(V+, V-)에 들어오는 전압의 차이를 감지해서, 그 차이를 수만 배에서 수십만 배까지 아주 크게 뻥튀기합니다.
여기서 A는 이득(Gain)으로 보통 매우 큰 값입니다.
왜 그냥 증폭기가 아니라 '연산' 증폭기인가요? Op-Amp는 단순히 소리만 키우는 일반적인 앰프와는 달리, 피드백이라는 구조를 통해 증폭률을 마음대로 조절할 수 있습니다. 저항을 달면 덧셈기, 뺄셈기가 될 수 있고요. 커패시터를 달면 미분기, 적분기가 될 수 있습니다.
하지만 Op-Amp는 그 자체(Open-loop)만으로는 우리가 흔히 생각하는 안정적인 차동 증폭기로 사용하기가 거의 불가능합니다. 그 이유는 자연 이득이 너무 커서 생기는 문제입니다. Op-Amp의 내부 자연 이득은 보통 10만 배에서 100만 배에 달합니다.
이 수치가 너무 크기 때문에 다음과 같은 현상이 발생합니다.
- 즉각적인 포화(Saturation): 두 입력 단자의 전압 차이가 아주 미세하게(예: 0.0001V)만 발생해도 출력 전압은 이론상 10V이상으로 튀어버립니다.
- 비교기로의 변신: 결국 출력은 공급 전압(Vcc 또는 Vee) 끝까지몰 려버리게 되어, 증폭기가 아니라 "어느 쪽 전압이 더 큰지"만 판별하는 '비교기(Comparator)'처럼 작동하게 됩니다.
그래서 피드백이 필수입니다. 반드시 외부 저항 회로(피드백)를 설계해줘야만 우리가 원하는 수준의 전압을 내보내는 '차동 증폭기'로서 기능하게 됩니다.
Op-Amp 입력과 출력
Op-Amp는 두 개의 입력을 가지고 있습니다. 양극 핀은 비반전 입력(Non-inverting)이라고 불리고, 음극 핀은 반전 입력(Inverting)이라고 불립니다. 왜 이름이 반전과 비반전일까요? 이것은 기준점을 어디에 두느냐에 따라 신호의 모양(위상)이 변하기 때문입니다.
- 비반전 입력: 입력 전압이 높아지면 출력 전압도 같은 방향(정위상)으로 높아집니다. 위상이 변하지 않습니다.
- 반전 입력: 입력 전압이 높아지면 출력 전압은 반대 방향(역위상)으로 낮아집니다. 위상이 180도로 뒤집힙니다.
앞서 말한것처럼 Op-Amp는 이 두 핀의 전압 차이를 계산해서 출력으로 보내게 됩니다.
그리고 Op-Amp는 양극과 음극 전압으로 전원이 공급되어야 합니다. 이렇게 양극과 음극 전원을 모두 사용하는 이유는 음전원이 있어야 출력 신호가 0V 아래(마이너스 영역)로 내려갈 수 있기 때문이죠. 덕분에 오디오 신호처럼 위아래로 진동하는 교류(AC) 신호를 왜곡 없이 증폭할 수 있습니다.
정리해보면 Op-Amp는 전원 2개, 입력 2개, 출력 1개로 구성되어 있네요.
회로 시뮬레이션
Op-Amp를 그 자체만으로 사용하는 시뮬레이션을 진행해보겠습니다.
(...)
Op-Amp 버퍼 회로
ㅇㅇㅇ
참고 자료
