연산증폭기 (OP-AMP)

myblack·2024년 9월 10일

opamp 슈미트트리거 연산증폭기 오차증폭기 전자회로 차동

전자회로

목록 보기

11/13

연산증폭기

(Operation Amplifier)

직류 / 교류 신호에서 증폭기(Amplifier)의 역할을 하며, 버퍼, 전류-전압 변환기, 적분기, 미분기, 정류기, 아날로그 필터 발진기 등 다양한 선형(Linear) 또는 비선형(Non-linear) 회로에 사용되는 능동 소자를 의미합니다.

연산 증폭기의 입력 / 출력 단자

1) 반전(Inverting) 입력 단자
입력 신호와 출력 신호가 서로 반전되는 위상(Phase)
2) 비반전(Noninverting) 입력 단자
입력 신호와 출력 신호가 서로 동일한 위상(Phase)
3) 출력 단자
출력 신호가 나오게 되는 단자.
Vout = A⋅(V+−V−)
4) 전원 단자
(+) 전원과 (-) 전원이 인가되는 단자

이상적인 OPAMP

Rin = ∞
Rout = 0Ω
Rin으로 큰 전압을 가져오기 위해 Ideal opamp에서 Rin = ∞
Ideal opamp에서 이론상 입력단의 전류는 0이다.
Vout에 전압을 온전히 보내기 위해 Ideal opamp에서 Rout = 0Ω 이다.
입력임피던스 Zin = ∞ ,
출력임피던스 Zout = 0,
전압이득 Av = ∞
오차 X, 내압 무한대

가상단락 :

두 입력단자 사이의 전압이 0에 가깝지만 입력 임피던스는 무한대에 가까워
전류 0, 전압이득 무한대
OP AMP에 음의 피드백이 존재할 경우, 두 입력 단자(+)와 (−)는 전압이 거의 같아진다.
하지만 실제로 물리적으로 연결된 것이 아니기 때문에 "가상" 단락이라 부른다.

가상접지 :

실제로 접지와 연결되지 않았지만, 전압이 0V인 점처럼 동작하는 노드를 의미
반전 증폭기 회로에서, OP AMP의 음의 피드백으로 인해 반전 입력단(−)의 전압이 실제 접지처럼 0V가 되지만, 실제로 GND에 연결된 것은 아닌 상태를 말함.
전압 : 0V (접지처럼 보임)
전류 : 흐르지 않음 (입력 임피던스 무한대)

작동원리
비반전 입력이 GND에 연결되어 V+ = 0V
피드백이 존재하므로 V- = V+ = 0V → 접지된 것처럼 보임
하지만 실제 접지와는 연결 X → "가상" 접지

항목	가상 단락 (Virtual Short)	가상 접지 (Virtual Ground)
정의	$V_{+} \approx V_{-}$	$V_{-} \approx 0V$
위치	OP AMP 두 입력 단자 사이	OP AMP 반전 입력 단자 (특정 구성에서)
전류	흐르지 않음	흐르지 않음
전압	거의 동일	거의 0V (접지처럼 보임)
조건	음의 피드백 존재, 포화 X	비반전 입력이 GND일 때
사용 회로	비반전, 반전, 차동 증폭기 등	반전 증폭기, 서밍 증폭기 등

증폭기 종류

반전 증폭기

(Inverting Amplifier)

입력 단자는 GND에 연결되어 있기 때문에 - 입력 단자는 가상 접지로 간주
Vin=IR1, Vout=-IR2

비반전 증폭기

(Non-inverting Amplifier)

In (i-) = 0

점 찍힌 부분의 전압 Vin -> Vin / R1 = (Vout - Vin) / R2

차동 증폭기

(Differential Amplifier)

두 입력전압의 차이에 해당하는 전압을 증폭하는 회로

✅ 특징:
반전(-) 입력과 비반전(+) 입력이 모두 신호 입력으로 사용됨.
입력으로 들어오는 두 신호(V+와 V-)의 차이를 증폭.
출력이 다른 신호처리 회로로 전달됨.
센서 신호 증폭, 노이즈 제거, 신호 비교 등에 사용.

✅ 구별 방법:
OPAMP의 두 개의 입력 단자(+,-)가 모두 신호를 받으면 차동 증폭기.
출력이 직접적인 전압 제어 루프에 연결되지 않음.
전원 제어 회로에서 사용되지 않음 (센서 신호 증폭, 신호 처리에 사용됨).

수식
Vout = A(V+ - V-)
A : gain, V+ : +입력전압, V- : -입력전압

오차 증폭기

(Error Amplifier)

'+' 입력 : 기준 전압(Vref)
'–' 입력 : 피드백 전압(Vfb)
출력 : Vout = A × (Vref – Vfb)
Vfb < Vref → 출력 증가 → 출력 전압 상승 유도
Vfb > Vref → 출력 감소 → 출력 전압 하강 유도
Vfb = Vref → 출력 안정 상태 (루프 정상)

오차증폭기(Error Amplifier) 는 목표값(Reference)과 실제 측정값(Feedback) 간의 차이(오차) 를 증폭하여 제어 신호로 전환하는 회로.

오차 증폭기의 역할은 입력 신호의 차이( VERR = VREF − VFB )를 증폭하여 출력 신호로 제공하고, 피드백 루프를 통해 시스템의 출력이 목표값(VREF)에 도달하도록 제어하는 것

(-) 단자 전압이 클 때: 출력 전압을 감소시켜 피드백 전압을 낮춥니다.
(+) 단자 전압이 클 때: 출력 전압을 증가시켜 피드백 전압을 높입니다.

입력 신호 비교

오차 증폭기는 두 입력 신호를 비교하여 차이를 계산.
하나의 입력은 기준 전압(Reference Voltage),
다른 하나는 출력에서 피드백된 전압(Feedback Voltage).
두 신호 간의 차이를 오차(Error)
계산된 오차를 증폭하여 출력 신호로 제공합니다.
증폭된 오차 신호는 시스템의 제어 루프에서 사용되어 출력 상태를 조정합니다.

제어 신호 생성

증폭된 오차 신호는 주로 PWM(Pulse Width Modulation) 컨트롤러, 스위칭 소자, 또는 다른 제어 장치로 전달되어 출력 상태를 안정화하는 데 사용
OPAMP의 한쪽 입력이 기준 전압
다른 입력이 출력에서 피드백 신호를 받으면 오차 증폭기.
출력이 전압 조절 루프에 연결되어 출력 전압을 조절하는 역할.

차동 증폭기와 오차 증폭기
🔹 차동 증폭기 = 두 입력의 차이를 증폭하는 일반적인 증폭기.
🔹 오차 증폭기 = 전압 피드백을 받아 전원 공급을 조절하는 증폭기.
🔹 기준 전압과 피드백 입력을 비교하고 출력이 전압 조절 역할을 하면 오차 증폭기.
🔹 출력이 피드백 없이 증폭 신호로만 사용되면 차동 증폭기.

반전 가산기

(Inverting Summing Amplifier)

전압 팔로워 (버퍼)

(Voltage Followers)

전압 팔로워는 OPAMP 회로에서 출력을 입력에 직접 피드백하는 회로

회로 구성:

비반전 입력: OPAMP의 비반전 입력(+)에 신호를 입력하고, 출력을 비반전 입력(+)에 직접 연결합니다. 이때, 반전 입력(-)은 연결되지 않으며, 이 회로는 입력 전압과 출력 전압이 동일하게 됩니다.

버퍼라고 부르기도 함, 전압이득이 1인 증폭기로 입력전압 = 출력전압

높은 입력 임피던스와 낮은 출력 임피던스를 가져 부하사이의 완충단으로 사용 (신호 전달 시 손실을 최소화)

버퍼를 사용하면 버퍼 이전의 모든 회로의 임피던스를 무시할 수 있음
ex) 먼거리에서 입력 출력에 온전히 전달

비교기

Feedback 없는 연산증폭기 회로

Vin단자에 따라 Vout값 변동 (VCC or VEE)
Vin+ > Vin- 면 VCC출력
Vin+ < Vin- 면 VEE출력

연산증폭기의 출력은 연산증폭기의 Power supply 전압을 초과할 수 없음.

V+가 V-보다 조금이라도 더 크다면 V+−V-는 무한대배만큼 증폭, 출력값은 +Bias Voltage Vcc로 Saturation
V-가−V+보다 크다면 출력값은 -Bias Voltage VEE로 Saturation

미분기와 적분기

미분기

적분기

적분기 -1/sCR
미분기 -sCR
적분기에서 고주파일수록 이득 감소, 미분기에서 저주파일수록 이득 감소

슈미트 트리거

: 비교기의 일종으로 High와 Low 출력 만듬

활용목적
정현파를 구형파로 변환
신호 노이즈 제거
신호 Edge 명확히 함
Noise 제거, 안정적인 Clock 신호, 회로 입출력 속도 증대에 주로 사용

히스테리시스 곡선
출력이 현재 상태에 의존하는 특성
H->L 전압과 L->H 동작 전압이 다름
입력진폭이 일정 값(Vt) 넘으면 급격히 작동해 일정한 출력 얻음
특정값 이하면 즉시 복구
입력 교류파형 특정 전압레벨 이상 or 이하면 출력이 논리전압레벨 '0' 또는 '1' 로 변함

구현회로

UTP (Upper Triggering Point)
: Low 상태에서 전위 상승할 때, High로 인식되는 기준 전압

LTP (Lower Triggering Point)
: High 상태에서 전위 하강할 때, Low로 인식되는 기준 전압

히스테리시스 이용 검출 회로 (Comparator with Hysteresis)

SUMMARY

OP-AMP 피드백 적용 방식 (폐쇄 루프 회로)

(1) 기본 피드백 루프
이 회로는 반전 피드백(Negative Feedback) 방식을 사용하여 안정적인 전압을 유지합니다.

비반전 입력(+) : 기준 전압이 입력됨.
반전 입력(-) (피드백 경로) : OP-AMP의 출력 전압 중 일부가 저항 네트워크를 통해 반전 입력으로 되돌아옴.

🔹 출력 조절 원리
OP-AMP는 입력 차이를 최소화하려고 작동함 → 자동으로 목표 전압에 맞춰 출력 조절.

(2) 회로에서의 피드백 역할

OP-AMP의 출력 전압이 너무 높으면, 피드백 루프가 이를 감지하여 출력 신호를 낮춤 → 전압 하강.
OP-AMP의 출력 전압이 너무 낮으면, 피드백 루프가 이를 감지하여 출력 신호를 높임 → 전압 상승.
이를 통해 출력 전압이 설정된 목표값을 초과하거나 부족하지 않도록 유지.

피드백 시스템의 실제 회로 동작
🔹 정상적인 동작 시
DAC가 2V를 출력하면 OP-AMP 피드백을 통해 출력 전압도 2V가 되도록 자동 조정됨.