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.