학부 전자공학의 꽃인 OPAMP에 대해서 말씀드리려 합니다.
학부에서 전자공학을 배우면 가장 먼저 배우게 되는게 OPAMP이며 또한 마지막부분에 배우는 것도 OPAMP입니다.
혹자는 OPAMP 배우러 전자공학왔다는 말도 하더군요.
Operational Amplifier 입니다.
한글로는 오피엠프 되겠습니다. ^^
한자로는 연산증폭기(演算增幅器)라고 하는데, 그냥 좋은 증폭기라고 생각하시면 됩니다.
다음과 같이 생겼습니다. 이상적인 오피엠프의 모습입니다.
입력이 2개(Differential Pair), 출력이 1개입니다.
다음은 이상적인 오피엠프의 특성입니다.
1. 증폭률 무한대.
증폭률이라는 것은 +단과 -단으로 들어오는 입력레벨의 차를 몇배나 키워서 출력시키냐는 것 입니다.
오피엠프는 증폭률(게인)이 무한대이기 때문에 +쪽이 -쪽보다 아주 약간만 높아도 무한대 전압이 출력으로 나옵니다.
반대로 +쪽보다 -쪽이 높으면 -(마이너스) 무한대 전압이 나옵니다.
2. 입력저항 무한대.
그런데 혹시 무한대의 개념을 모르시는지요?
무지무지 어려운 개념이긴 한데, 그냥 무지무지하게 큰 수라고 생각하시면 됩니다. ^^
입력저항이라는 것은, 입력단 내부에 존재하는 저항을 뜻 합니다.
오피엠프에서는 +와 - 사이의 저항정도로 생각하셔도 무리가 없습니다.
지난번에 테스터기에서 전압을 측정할때 말씀 드린 것 처럼
OPAMP도 저 +단과 -단 사이의 전압을 우선 측정(?)한 후 내부 증폭을 거쳐 출력으로 나오게 됩니다.
그러므로 +단과 -단 사이의 전압을 측정하기 위해 입력저항이 무한대가 되야 합니다.
만약에 입력저항이 작다면, 오피엠프 내부로 전류가 흘러들어오게 되고, 이는 원하는 곳의 전압을 낮추거나 할 수 있습니다.
그래서 이상적인 오피엠프에서는 입력저항이 무한대가 되야 합니다. ^^
3. 출력저항 0.
출력 저항이 만약에 5옴인 오피엠프가 10V를 출력하고 있다고 가정해봅시다.(무부하, 무한대 임피던스)
출력단 끝에 있는 부하가 100k옴이라면, 거의 모든 전압이 100k옴에 걸릴 것입니다.
출력단 끝의 부하가 50옴이라면, 전압의 90%인 9V가 부하에 걸리고, 이는 곧 출력값이 됩니다.
출력단 끝의 부하가 5옴이라면, 전압의 50%인 5V가 출력됩니다.
그리고 이것은 우리가 원하는 결과가 아닙니다. ^^
이상적인 오피엠프라면 부하가 어떠한 조건과도 상관없이 원하는 일정한 출력이 나와야 합니다. ^^
그러므로 출력저항이 0이 되야 합니다.
여기까지는 반드시 알아두셔야 하는 내용입니다. ^^
그 밖에 다음과 같은 특징이 있으나, 교과서적인 내용이고 간단히 언급만 하도록 하겠습니다.
4. 대역폭 무한대 -- 모든 주파수대역에서 무한대의 증폭률을 나타내야 한다는 것 입니다.
5. 오프셋전압/전류 0 -- 두 입력 전압이 같을 때, 출력전압은 0이고, 출력전류또한 0이어야 한다는 말입니다.
이상 이상적인 오피엠프에 대한 설명이었습니다.
왜 이러한 특징이 있냐하면.... 이러한 특징을 갖고 있는 소자가 있다면 전자공학에서 그 응용분야가 무궁무진해지기 때문입니다.
그리고 실제 나오는 오피엠프들은 이러한 특성을 전부 만족시킬 수 없기 때문에 점차 이 이상적인 오피엠프에 다가서도록 만들고 있습니다.
또 하나, 반도체 내에서는 이러한 오피엠프를 만드는 것 자체가 돈 낭비라고 생각합니다.
그래서 이 중에서 필요한 특성만 따서 부분부분 특성화된 오피엠프를 만들기도 합니다. 현재 추세가 그렇습니다. ^^
예를들면 오디오에서는 무한대의 대역폭이 필요없습니다.
그런데도 오디오에서 사용하는 오피엠프를 만들기 위해 수테라헤르츠를 넘어서는 오피엠프를 개발할 필요는 없다는 말입니다. ^^
다음은 OPAMP에 존재하는 SPEC에 대해서 설명합니다.
우선 SPEC을 보시죠.
Available Channels : S
CMRR(Min)(dB) : 106
GBW(Typ)(MHz) : 16
IIB(Max)(pA) : 1
Iq per channel(Max)(mA) : 7.5
Number of Channels : 1
Offset Drift(Typ)(uV/C) : 0.4
Open Loop Gain(Min)(dB) : 112
Shutdown : No
Single Supply : No
Slew Rate(Typ)(V/us) : 55
Spec'd at Vs(V) : +/-15
VIO (25 deg C)(Max)(mV) : 0.1
VIO (Full Range)(Max)(mV) : 0.10
Vn at 1kHz(Typ)(nV/rtHz) : 5.2
Vs(Min)(V) : 9
Vs(Max)(V) : 36
Operating Temp Range(Celsius) : -25 to 85
Pin/Package : 8PDIP,8SOIC
Approx. 1KU Price (US$) : xxxx
^^ 눈치가 빠른 분은 어느 회사의 어느 OPAMP의 스펙인지 알고 계시리라 생각됩니다.
문제 내볼까요? ^^ 어떤 OPAMP의 SPEC일까요?
Spec을 보면 저도 모르는 것이 많습니다. ^^
모르는 것이 이렇게 많은데도, 감히 이런 글을 쓰는 이유는.. 역시 말씀드렸듯이 조금이라도 도움이 되고자. ^^
또 이렇게 모르는 것을 올려놓으며 고수님의 지적도 바라는 바 입니다.
자 그럼 시작합니다.(틀린 것이 있으면 지적 부탁드립니다. ^^)
1. Available Channels : S
OPAMP가 동작할 수 있는 체널수를 뜻 합니다.
이 엠프는 Single 체널을 동작시킬 수 있습니다.
밑에 6번항목과 구분됩니다.
2. CMRR(Min)(dB) : 106
Common Mode Rejection Ratio.
입력의 +단과 -단에 같은 신호가 들어오면 이를 얼마나 제거할 수 있느냐 하는 중요한 파라미터입니다.
보통 케이블로 차동신호(+와 -의 위상(전압)이 완전히 바뀐 신호)가 들어오는데 이 때
케이블에는 같은 레벨의 노이즈가 실리게 됩니다. (전압원으로부터든 외부 RF로부터든..)
이를 얼마나 제거할 수 있냐하는 것이 이 CMRR입니다. 크면 클수록 좋겠습니다.
dB = 20 log (게인 V/V)
3. GBW(Typ)(MHz) : 16
Unit Gain Band Width.
이상적인 오피엠프는 모든 대역에서 무한대의 게인을 가져야 한다고 말씀드렸습니다만,
실제로는 주파수가 높아질수록 게인이 작아집니다.
이 값은 증폭률이 1일때의 주파수를 말하는 것 입니다.
이 OPAMP는 16Mhz에서 증폭률이 1입니다.
4. IIB(Max)(pA) : 1
Input Bias Current.
입력단자로 흘러가는 전류의 양을 말합니다.
아이디얼의 경우 입력임피던스가 무한대이기 때문에 이론상 전류가 흐르면 안됩니다.
또한 앞단에 케페시턴스가 존재할 경우, 이 전류가 크면 고속동작을 하는데 무리가 따릅니다.
pico단위면 매우 작은 값 입니다. ^^(10의 -12승 = 0.000 000 000 001)
5. Iq per channel(Max)(mA) : 7.5
체널당 오피엠프가 사용하는 소비전류입니다.
6. Number of Channels : 1
이 오피엠프 칩에 들어있는 오피엠프의 개수입니다.
7. Offset Drift(Typ)(uV/C) : 0.4
온도가 변함에 따라 변하는 오프셋 전압상수 입니다.
1도가 변할때 오프셋 전압이 0.000004 V 변한다는 말입니다.
8. Open Loop Gain(Min)(dB) : 112
증폭률입니다.(사실 OPAMP는 루프 - 피드백 회로에 많이 쓰입니다. 이를 사용하지 않을때 증폭률입니다.)
아이디얼 오피엠프의 경우 무한대여야 하나
112dB = 400,000 V/V 정도 됩니다.
9. Shutdown : No
칩의 동작을 결정할 수 있는지에 대한 항목.
이 칩은 셧다운 기능을 제공하지 않습니다.
10. Single Supply : No
오피엠프는 일반적으로 +전압과 -전압을 공급해야 하는데,
한쪽 전압만으로도 동작하는지에 대한 여부입니다.
11. Slew Rate(Typ)(V/us) : 55
출력 전압이 얼마나 빠르게 변할 수 있냐는 항목입니다.
입력전압이 갑자기 매우 크게 변했다면, 출력전압도 이에 따라 갑자기 변해야 하는 게 맞습니다만..
내부 회로의 한계로 한계속도가 정해집니다.
55V/us 라는 값은 1us 동안 55V의 전압이 변할 수 있다는 뜻 입니다.
1초면 55,000,000 V만큼 변할 수 있습니다.
12. Spec'd at Vs(V) : +/-15
추측컨데, 이 모든 SPEC들은 +/- 15V 의 전압을 인가했을 경우 측정된 값이라는 말 같습니다. ^^
13. VIO (25 deg C)(Max)(mV) : 0.1
Input Offset Voltage.
아이디얼의 경우 두 입력단자의 레벨아 같으면 출력이 0이어야 하나,
실제로는 약간 틀어져있습니다.(Offset)
이 값은, 두 단자의 레벨의 차가 0.1mV 미만의 어떤 값에서 출력이 0을 보장한다는 말 입니다. ^^
14. VIO (Full Range)(Max)(mV) : 0.10
위의 값은 25도의 상온이고, 이 값은 전 범위에서의 값 입니다. ^^
15. Vn at 1kHz(Typ)(nV/rtHz) : 5.2
노이즈 전압입니다. 노이즈는 전 주파수대역에 걸쳐 있기 때문에 이 값의 크기를 정한 단위입니다.
(Power Spectral Density의 단위(watt / Hz)를 보기 좋게 V 단위로 바꾸다보니 생겨난 단위입니다. - 맞나?)
이 오피엠프는 입력단자에 아무런 입력을 주지 않아도 마치 입력단자에 5.2nV/rtHz 만큼의 노이즈가 있는 것
처럼 출력에 나타난다는 말입니다.
쉽게! 작으면 좋습니다. ^^
16. Vs(Min)(V) : 9
인가되는 +/- 전압 차의 최소치를 말하는 것 같습니다.
17. Vs(Max)(V) : 36
인가되는 +/- 전압 차의 최대치를 말하는 것 같습니다.
18. Operating Temp Range(Celsius) : -25 to 85
동작온도는 -25도부터 85도까지.
19. Pin/Package : 8PDIP,8SOIC
여러분이 더 잘 아시리라 생각됩니다. 이 칩의 모양새.
DIP Type과 SOIC Type으로 제공된답니다.
20. Approx. 1KU Price (US$) : xxxx
개당 가격. ^^.
이상입니다.
다음에는 OPAMP 회로로 반전/비반전 증폭기와
그라운드 루프의 발진 등에 대해서 말씀드리겠습니다.
학부에서 전자공학을 배우면 가장 먼저 배우게 되는게 OPAMP이며 또한 마지막부분에 배우는 것도 OPAMP입니다.
혹자는 OPAMP 배우러 전자공학왔다는 말도 하더군요.
Operational Amplifier 입니다.
한글로는 오피엠프 되겠습니다. ^^
한자로는 연산증폭기(演算增幅器)라고 하는데, 그냥 좋은 증폭기라고 생각하시면 됩니다.
다음과 같이 생겼습니다. 이상적인 오피엠프의 모습입니다.
입력이 2개(Differential Pair), 출력이 1개입니다.
다음은 이상적인 오피엠프의 특성입니다.
1. 증폭률 무한대.
증폭률이라는 것은 +단과 -단으로 들어오는 입력레벨의 차를 몇배나 키워서 출력시키냐는 것 입니다.
오피엠프는 증폭률(게인)이 무한대이기 때문에 +쪽이 -쪽보다 아주 약간만 높아도 무한대 전압이 출력으로 나옵니다.
반대로 +쪽보다 -쪽이 높으면 -(마이너스) 무한대 전압이 나옵니다.
2. 입력저항 무한대.
그런데 혹시 무한대의 개념을 모르시는지요?
무지무지 어려운 개념이긴 한데, 그냥 무지무지하게 큰 수라고 생각하시면 됩니다. ^^
입력저항이라는 것은, 입력단 내부에 존재하는 저항을 뜻 합니다.
오피엠프에서는 +와 - 사이의 저항정도로 생각하셔도 무리가 없습니다.
지난번에 테스터기에서 전압을 측정할때 말씀 드린 것 처럼
OPAMP도 저 +단과 -단 사이의 전압을 우선 측정(?)한 후 내부 증폭을 거쳐 출력으로 나오게 됩니다.
그러므로 +단과 -단 사이의 전압을 측정하기 위해 입력저항이 무한대가 되야 합니다.
만약에 입력저항이 작다면, 오피엠프 내부로 전류가 흘러들어오게 되고, 이는 원하는 곳의 전압을 낮추거나 할 수 있습니다.
그래서 이상적인 오피엠프에서는 입력저항이 무한대가 되야 합니다. ^^
3. 출력저항 0.
출력 저항이 만약에 5옴인 오피엠프가 10V를 출력하고 있다고 가정해봅시다.(무부하, 무한대 임피던스)
출력단 끝에 있는 부하가 100k옴이라면, 거의 모든 전압이 100k옴에 걸릴 것입니다.
출력단 끝의 부하가 50옴이라면, 전압의 90%인 9V가 부하에 걸리고, 이는 곧 출력값이 됩니다.
출력단 끝의 부하가 5옴이라면, 전압의 50%인 5V가 출력됩니다.
그리고 이것은 우리가 원하는 결과가 아닙니다. ^^
이상적인 오피엠프라면 부하가 어떠한 조건과도 상관없이 원하는 일정한 출력이 나와야 합니다. ^^
그러므로 출력저항이 0이 되야 합니다.
여기까지는 반드시 알아두셔야 하는 내용입니다. ^^
그 밖에 다음과 같은 특징이 있으나, 교과서적인 내용이고 간단히 언급만 하도록 하겠습니다.
4. 대역폭 무한대 -- 모든 주파수대역에서 무한대의 증폭률을 나타내야 한다는 것 입니다.
5. 오프셋전압/전류 0 -- 두 입력 전압이 같을 때, 출력전압은 0이고, 출력전류또한 0이어야 한다는 말입니다.
이상 이상적인 오피엠프에 대한 설명이었습니다.
왜 이러한 특징이 있냐하면.... 이러한 특징을 갖고 있는 소자가 있다면 전자공학에서 그 응용분야가 무궁무진해지기 때문입니다.
그리고 실제 나오는 오피엠프들은 이러한 특성을 전부 만족시킬 수 없기 때문에 점차 이 이상적인 오피엠프에 다가서도록 만들고 있습니다.
또 하나, 반도체 내에서는 이러한 오피엠프를 만드는 것 자체가 돈 낭비라고 생각합니다.
그래서 이 중에서 필요한 특성만 따서 부분부분 특성화된 오피엠프를 만들기도 합니다. 현재 추세가 그렇습니다. ^^
예를들면 오디오에서는 무한대의 대역폭이 필요없습니다.
그런데도 오디오에서 사용하는 오피엠프를 만들기 위해 수테라헤르츠를 넘어서는 오피엠프를 개발할 필요는 없다는 말입니다. ^^
다음은 OPAMP에 존재하는 SPEC에 대해서 설명합니다.
우선 SPEC을 보시죠.
Available Channels : S
CMRR(Min)(dB) : 106
GBW(Typ)(MHz) : 16
IIB(Max)(pA) : 1
Iq per channel(Max)(mA) : 7.5
Number of Channels : 1
Offset Drift(Typ)(uV/C) : 0.4
Open Loop Gain(Min)(dB) : 112
Shutdown : No
Single Supply : No
Slew Rate(Typ)(V/us) : 55
Spec'd at Vs(V) : +/-15
VIO (25 deg C)(Max)(mV) : 0.1
VIO (Full Range)(Max)(mV) : 0.10
Vn at 1kHz(Typ)(nV/rtHz) : 5.2
Vs(Min)(V) : 9
Vs(Max)(V) : 36
Operating Temp Range(Celsius) : -25 to 85
Pin/Package : 8PDIP,8SOIC
Approx. 1KU Price (US$) : xxxx
^^ 눈치가 빠른 분은 어느 회사의 어느 OPAMP의 스펙인지 알고 계시리라 생각됩니다.
문제 내볼까요? ^^ 어떤 OPAMP의 SPEC일까요?
Spec을 보면 저도 모르는 것이 많습니다. ^^
모르는 것이 이렇게 많은데도, 감히 이런 글을 쓰는 이유는.. 역시 말씀드렸듯이 조금이라도 도움이 되고자. ^^
또 이렇게 모르는 것을 올려놓으며 고수님의 지적도 바라는 바 입니다.
자 그럼 시작합니다.(틀린 것이 있으면 지적 부탁드립니다. ^^)
1. Available Channels : S
OPAMP가 동작할 수 있는 체널수를 뜻 합니다.
이 엠프는 Single 체널을 동작시킬 수 있습니다.
밑에 6번항목과 구분됩니다.
2. CMRR(Min)(dB) : 106
Common Mode Rejection Ratio.
입력의 +단과 -단에 같은 신호가 들어오면 이를 얼마나 제거할 수 있느냐 하는 중요한 파라미터입니다.
보통 케이블로 차동신호(+와 -의 위상(전압)이 완전히 바뀐 신호)가 들어오는데 이 때
케이블에는 같은 레벨의 노이즈가 실리게 됩니다. (전압원으로부터든 외부 RF로부터든..)
이를 얼마나 제거할 수 있냐하는 것이 이 CMRR입니다. 크면 클수록 좋겠습니다.
dB = 20 log (게인 V/V)
3. GBW(Typ)(MHz) : 16
Unit Gain Band Width.
이상적인 오피엠프는 모든 대역에서 무한대의 게인을 가져야 한다고 말씀드렸습니다만,
실제로는 주파수가 높아질수록 게인이 작아집니다.
이 값은 증폭률이 1일때의 주파수를 말하는 것 입니다.
이 OPAMP는 16Mhz에서 증폭률이 1입니다.
4. IIB(Max)(pA) : 1
Input Bias Current.
입력단자로 흘러가는 전류의 양을 말합니다.
아이디얼의 경우 입력임피던스가 무한대이기 때문에 이론상 전류가 흐르면 안됩니다.
또한 앞단에 케페시턴스가 존재할 경우, 이 전류가 크면 고속동작을 하는데 무리가 따릅니다.
pico단위면 매우 작은 값 입니다. ^^(10의 -12승 = 0.000 000 000 001)
5. Iq per channel(Max)(mA) : 7.5
체널당 오피엠프가 사용하는 소비전류입니다.
6. Number of Channels : 1
이 오피엠프 칩에 들어있는 오피엠프의 개수입니다.
7. Offset Drift(Typ)(uV/C) : 0.4
온도가 변함에 따라 변하는 오프셋 전압상수 입니다.
1도가 변할때 오프셋 전압이 0.000004 V 변한다는 말입니다.
8. Open Loop Gain(Min)(dB) : 112
증폭률입니다.(사실 OPAMP는 루프 - 피드백 회로에 많이 쓰입니다. 이를 사용하지 않을때 증폭률입니다.)
아이디얼 오피엠프의 경우 무한대여야 하나
112dB = 400,000 V/V 정도 됩니다.
9. Shutdown : No
칩의 동작을 결정할 수 있는지에 대한 항목.
이 칩은 셧다운 기능을 제공하지 않습니다.
10. Single Supply : No
오피엠프는 일반적으로 +전압과 -전압을 공급해야 하는데,
한쪽 전압만으로도 동작하는지에 대한 여부입니다.
11. Slew Rate(Typ)(V/us) : 55
출력 전압이 얼마나 빠르게 변할 수 있냐는 항목입니다.
입력전압이 갑자기 매우 크게 변했다면, 출력전압도 이에 따라 갑자기 변해야 하는 게 맞습니다만..
내부 회로의 한계로 한계속도가 정해집니다.
55V/us 라는 값은 1us 동안 55V의 전압이 변할 수 있다는 뜻 입니다.
1초면 55,000,000 V만큼 변할 수 있습니다.
12. Spec'd at Vs(V) : +/-15
추측컨데, 이 모든 SPEC들은 +/- 15V 의 전압을 인가했을 경우 측정된 값이라는 말 같습니다. ^^
13. VIO (25 deg C)(Max)(mV) : 0.1
Input Offset Voltage.
아이디얼의 경우 두 입력단자의 레벨아 같으면 출력이 0이어야 하나,
실제로는 약간 틀어져있습니다.(Offset)
이 값은, 두 단자의 레벨의 차가 0.1mV 미만의 어떤 값에서 출력이 0을 보장한다는 말 입니다. ^^
14. VIO (Full Range)(Max)(mV) : 0.10
위의 값은 25도의 상온이고, 이 값은 전 범위에서의 값 입니다. ^^
15. Vn at 1kHz(Typ)(nV/rtHz) : 5.2
노이즈 전압입니다. 노이즈는 전 주파수대역에 걸쳐 있기 때문에 이 값의 크기를 정한 단위입니다.
(Power Spectral Density의 단위(watt / Hz)를 보기 좋게 V 단위로 바꾸다보니 생겨난 단위입니다. - 맞나?)
이 오피엠프는 입력단자에 아무런 입력을 주지 않아도 마치 입력단자에 5.2nV/rtHz 만큼의 노이즈가 있는 것
처럼 출력에 나타난다는 말입니다.
쉽게! 작으면 좋습니다. ^^
16. Vs(Min)(V) : 9
인가되는 +/- 전압 차의 최소치를 말하는 것 같습니다.
17. Vs(Max)(V) : 36
인가되는 +/- 전압 차의 최대치를 말하는 것 같습니다.
18. Operating Temp Range(Celsius) : -25 to 85
동작온도는 -25도부터 85도까지.
19. Pin/Package : 8PDIP,8SOIC
여러분이 더 잘 아시리라 생각됩니다. 이 칩의 모양새.
DIP Type과 SOIC Type으로 제공된답니다.
20. Approx. 1KU Price (US$) : xxxx
개당 가격. ^^.
이상입니다.
다음에는 OPAMP 회로로 반전/비반전 증폭기와
그라운드 루프의 발진 등에 대해서 말씀드리겠습니다.
이해가 안되면 무조건 외어야되는데...
감사합니다.