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OP Amp란?

What is Operational Amplifiers?

OP Amp ・ 콤퍼레이터란?

OP Amp란?

OP Amp (Operational Amplifier : 연산 증폭기)는 고입력 저항, 저출력 저항, 높은 개방 이득 (오픈 루프 게인)이 특징이며, +입력단자와 -입력단자간 전압차를 증폭시키는 기능을 지닌 차동 증폭기입니다.
1회로당 정측 전원단자, 부측 전원단자, +입력단자, -입력단자, 출력단자의 5개 단자로 구성되어 있습니다.

*일반적으로 단자의 명칭은 전원, 입력, 출력이라는 분류 이외에는 통일되어 있지 않습니다.

OP Amp 콤퍼레이터 기호도 OP Amp 전원단자명 예
전압 제어 전압원 증폭기 모델

OP Amp에 요구되는 기능으로서 높은 입력저항 (임피던스), 낮은 출력저항이 있습니다.
오른쪽 그림 【전압 제어 전압원 증폭기 모델】에서 입력전압과 출력전압의 관계는 다음 식으로 나타냅니다.

式

Vs :입력 신호원
Rs :신호원 출력저항
Ri  :입력저항
Ro :출력저항
RL :부하저항
Av :증폭률

신호전압Vs신호원 저항Rs와 OP Amp의 입력저항 Ri 에 의해 저항 분할되어 분압되므로 감쇄된 신호가 OP Amp에 입력됩니다.
그러나, Rs보다 Ri가 충분히 크면 (Ri=∞), 식의 제1항은 1에 가까워지므로 (Ri=∞), 식의 제1항은 1에 가까워지므로 Vs=Vi라고 생각할 수 있습니다.
다음 제2항에서 증폭된 입력전압 AvVi는 OP Amp의 출력저항 Ro와 부하저항 RL로 분압되어 출력됩니다.
이 때, RL보다 Ro가 충분히 작으면 (Ro=0), 제2항은 1에 가까워지므로 신호가 감쇄되지 않고 출력됨을 알 수 있습니다.
이러한 OP Amp를 이상적 OP Amp라고 합니다.
통상적 OP Amp는 높은 입력저항, 낮은 출력저항이 요구되며, 회로 구성은 이상적 OP Amp에 가까워지도록 설계합니다.

이상적인 입력저항과 출력저항

OP Amp는 +입력단자와 -입력단자간 미세한 전압차를 증폭하여 출력합니다.
따라서, OP Amp는 높은 증폭률이 요구됩니다.
그 이유는 【전압 폴로어 회로】를 사용하여 해설할 수 있습니다.
전압 폴로어 회로란 입력전압과 출력전압이 같아지는 회로입니다. 주로 전압 버퍼로서 사용되며, 높은 입력저항 및 낮은 출력저항의 특성을 살린 회로로서, 입력전압 Vs와 VOUT은 같아집니다.

전압 폴로어 회로

OP Amp는 단자간 전압차를 OP Amp의 증폭률로 증폭하므로, 출력전압은 다음과 같이 나타냅니다.

식

따라서식

OP Amp의 개방 이득 Av가 충분히 커지면, 좌변은 0에 가까워지므로 Vs=VOUT이 됩니다.
이득이 낮은 경우, 식의 좌변은 0에 가까워지지 못하므로 출력전압에 오차가 발생합니다.
OP Amp에 대해 높은 개방 이득이 요구되는 것은 이 이득을 통해 출력전압 오차를 가능한 작게 하기 위함입니다.
개방 이득이 크다는 점을 다르게 생각하면, +입력단자와 -입력단자의 전위차를 가능한 작게 한다는 의미입니다. 즉, 개방 이득이 커질수록 VIN+=VIN-의 관계가 성립합니다. 이 +입력단자와 -입력단자의 전위가 거의 같아지는 관계를 virtual short, imaginary short 또는 가상 접지라고 합니다.
부귀환 회로를 구성하여 사용할 경우에는 이러한 관계가 성립하므로, 가상 접지 특성을 이용하여 응용회로를 설계합니다.

콤퍼레이터란?

콤퍼레이터 (Voltage Comparator : 비교기)의 단자 구조는 OP Amp와 동일하게 +입력단자, -입력단자, 정측 전원단자, 부측 전원단자, 출력단자의 5단자로 구성되어 있습니다. 어느 한쪽의 입력단자를 기준단자로 전압을 고정하고, 이 기준전압과 다른 한쪽의 단자에 입력되는 전압의 차를 증폭하여, High 또는 Low를 출력하는 회로입니다.

+입력단자 전위 > -입력단자 전위가 성립되면 High 레벨 출력
-입력단자 전위 > +입력단자 전위가 성립되면 Low 레벨 출력

OP Amp와 콤퍼레이터의 큰 차이점은 위상보상 용량의 유무입니다.
OP Amp는 부귀환 회로를 구성하여 사용하기 때문에 IC의 내부에 발진 방지용 위상보상 용량이 필요합니다.
반면에, 콤퍼레이터는 부귀환 회로를 구성하는 경우가 없으므로 위상보상 용량을 내장하고 있지 않습니다.
위상보상 용량은 입력-출력간 응답 시간을 제한하기 때문에 위상보상 용량이 없는 콤퍼레이터는 OP Amp에 비해 응답성이 우수합니다.
한편, OP Amp를 콤퍼레이터로 사용하면, 이러한 위상보상 용량에 의해 응답성이 제한되어 콤퍼레이터와 비교 시, 응답성이 매우 나빠집니다.
따라서, OP Amp를 콤퍼레이터로 사용할 때에는 주의가 필요합니다.

OP Amp · 콤퍼레이터의 기초어플리케이션 노트

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