OP Amp란?부귀환 시스템과 그 효과
부귀환 시스템
OP Amp는 높은 전압 이득을 지닌 증폭기이지만, OP Amp 자체로 증폭을 실행하는 경우는 거의 없습니다.
그 이유는 개방 이득의 편차 및 대역이 좁아 증폭률을 컨트롤하기 어렵기 때문입니다.
따라서 통상적으로는 부귀환 회로를 구성하여 사용합니다.
하기 그림은 부귀환 시스템의 모델을 나타낸 것입니다.
부귀환 회로를 구성하면 다음과 같은 이점이 있습니다.
[부귀환 회로 구성에 따른 이점]
- 증폭 회로의 이득이 일정해지는 영역 (대역)이 확대된다.
- 부귀환 회로를 구성함으로써, OP Amp의 개방 이득 편차의 영향이 작아진다.
- 왜곡을 억제할 수 있다.
1.증폭 회로의 이득이 일정해지는 영역 (대역)이 확대된다.
먼저, 이 모델의 입력과 출력의 관계인 전달 함수를 구합니다.
AO : OP Amp 개방 이득 (오픈 루프 이득)
β : 귀환률
1+βA(s) : 귀환량
루프 이득 : βA(s)
그리고, 다음 식과 같이 OP Amp는 1차 지연의 전달 함수를 지닌다고 가정합니다.
상기 식의 관계를 나타내는 것이 오른쪽의 주파수 특성입니다.
부귀환 회로를 구성함으로써, 이득은 귀환량 1/(1+βAO)로 작아지며, 대역폭은 ωO에서 ωO(1+βAO)로 확대됨을 알 수 있습니다.
2.부귀환 회로를 구성함으로써, OP Amp의 개방 이득 편차의 영향이 작아진다.
다음으로, 입력과 출력의 관계인 전달 함수식에서 OP Amp의 개방 이득이 AO>>1 과 같이 충분히 크다고 가정하면, 저주파에서의 부귀환 회로의 이득은 1/β에 가까워집니다.
즉, OP Amp의 개방 이득이 큰 경우, OP Amp의 이득에 관계없이 귀환률만으로 귀환 회로의 이득이 결정됩니다.
이로 인해, 반전 증폭기 등 증폭 회로의 저주파 시 증폭률이 외장 저항만으로 결정되게 됩니다.
또한, OP Amp의 개방 이득 AO>>1 과 같이 충분히 큰 경우, 온도 특성 및 제조 편차에 의해 OP Amp의 개방 이득이 다소 변동되어도 영향을 적다는 것을 나타냅니다.
3.왜곡을 억제할 수 있다.
하기 그림은 오차 요소를 포함하는 귀환 회로를 나타낸 것입니다.
여기에서는 OP Amp에 발생하는 오차 요소를 VD로 나타내었습니다.
왜곡, 오차 전압, 노이즈 등의 요소가 포함되어 있습니다.
하기 식은 왜곡을 포함 전달 함수를 나타낸 것입니다.
이와 같이, VD의 항목은 이득 A (s)가 클수록 작아져 오차가 억제됨을 알 수 있습니다.
반대로 부귀환 회로를 구성함으로써 불리한 점은 하기와 같습니다.
[부귀환 회로 구성의 단점]
- 개방 이득에 비해 회로의 증폭률이 저하된다.
- 귀환으로 인해 회로가 발진하기 쉬워진다.
