연산증폭기(Op Amp)의 반전(Inverting), 비반전(Noninverting) 증폭에 대해 알아봅시다.

[덤보]

연산증폭기(Operational Amplifier : Op Amp)의

반전(Inverting), 비반전(Noninverting) 증폭에 대해 알아봅시다.

기본적인 연산증폭기(OP Amp) 회로구성은 개방루프회로로 아주 작은 입력전압에 대해서도 출력이 포화되므로, 

출력을 궤환(Feedback) 시키는 폐루프(closed-loop)회로를 구성하여 선형동작범위를 넓혀 사용한다고 하였습니다.

또한 연산 증폭기의 기본회로 동작은 입력신호와 출력신호의 위상차가 0°이면 비반전 증폭, 180°인 역상이 되면 

반전 증폭이라고 하였습니다.

이러한 연산증폭기의 기본동작인 반전과 비반전 증폭기능에서, 출력이 포화되지 않는 페루프 회로로 구성된 

반전 증폭과 비반전 증폭에 대해 살펴보기로 합니다.

반전증폭(Inverting Amplifier)의 기본 회로구성은, 반전입력(-)과 연결된 저항 Rin, 출력을 반전입력(-)으로 

궤한시킨 저항 Rf, 비반전입력(+)을 접지로 연결시킨 회로로 구성되어 진답니다.

이렇게 구성된 회로에서 Rin을 통해 반전입력(-)단자로 신호가 입력되므로 Rin을 입력요소라하고, 

출력된 신호를 입력단으로 궤환시키는 저항 Rf를 궤환 요소라 한답니다.

먼저 반전증폭 회로의 동작에 대해 알아봅시다.

앞서 이상적인 연산증폭기의 이득이 무한대가 되려면, 입력 단자간의 전압이 영(zero)에 가까워야 하므로 

단락 상태가 되는데, 이것을 가상 단락이라고 하였답니다.

반전증폭 회로의 경우 비반전입력(+) 단자가 접지상태이므로, 반전입력(-) 단자와 비반전 입력(+) 단자가 

가상단락 상태가 되어야 하므로 비반전입력(+) 단자는 접지 상태가 되어야 하기 때문에 가상접지상태가 

되어 진답니다.

따라서 반전증폭기의 비반전입력(+)이 접지되어 0V가 되었으므로, 반전입력(-) 역시 0V가 되어야 한답니다.

그러므로 입력신호 Vin에서 반전입력(-)으로 흐르는 전류는 반전입력(-)의 전압이 0V, 즉, 가상접지 상태가 되므로, 

I1 = Vin / Rin이 되고, 연산증폭기의 입력단으로 흐르는 전류는 접지가 되므로 I3와 I4는 0이 된답니다.

이렇게 산출된 전류는 반전입력(-)에서 Vout으로 흘러야 하는데, Vout으로 흐르는 전류는 반전입력(-)의 전류가 

가상접지에 의해 0이 되어야 하므로, 반전입력(-)에서 Vout으로 흐르는 전류는 결국 역으로 Vout에서 Rf를 통해 

가상접지로 흘러야 되므로 I2 = -Vout/Rf 가 되어야 한답니다.

이것을 수식으로 정리하면

반전입력(-)에 입력되는 전류 I1과 반전입력(-)에서 출력단으로 흐르는 전류 I2의 관계는 다음과 같이 된답니다.

따라서, 입력대 출력비 즉, 증폭률과 출력은 다음과 같이 계산되어집니다.

이러한 결과 연산증폭기의 입력에 대한 출력, 즉 증폭률은 입력요소인 Rin과 궤환요소인 Rf의 비율에 의해 결정되고, 

출력이 (-)로 표시는 것은 위상이 180° 반전된 신호를 출력한다는 의미가 되고, 이러한 증폭동작을 반전 증폭이라 

한답니다.

계속해서 비반전 증폭에 대해 알아봅시다.

비반전 증폭(Noninverting Amplifier)의 기본 회로구성은, 반전 증폭기와 같이 반전입력(-)과 연결된 저항 Rin, 

출력을 반전입력(-)으로 궤한시킨 저항 Rf로 구성된답니다.

여기서 반전 증폭 회로와 다른점은 비반전입력(+)에 신호를 입력하고, 반전입력(-)에 연결된 입력저항 Rin을 

접지 시킨다는 것이랍니다.

비반전 증폭 회로의 동작 역시, 앞서 살펴본 이상적인 연산증폭기의 이득이 무한대가 되려면, 입력 단자간의 

전압이 영(zero)에 가까워야 하므로 단락 상태가 되는데, 이것을 가상 단락이라고 하였답니다.

따라서 비반전증폭기의 반전입력(-)과 비반전입력(+)은 단락상태를 되므로 반전입력(-)의 입력전압 V1=Vin이 

되어야 한답니다.

그러므로 입력신호 Vin의 전류는 Rin이 접지되어 있으므로 Rin으로 흐르게 되고, Rin에 흐르는 전류는 역으로 

흐르게 되므로 I1 = -Vin/Rin이 된답니다.

따라서 Rf에 흐르는 전류는 I2는 I1=I2가 되어야 하므로 I2=(Vin-Vout)/Rf 가 되어야 한답니다.

또한 비반전입력과 반전입력(-)의 전압이 0V, 즉, 가상단락 상태가 되므로, 연산증폭기의 입력단으로 흐르는 전류는

가상단락에 의해 0이 되므로 I3과 I4는 0이 된답니다.

이것을 수식으로 정리하면

반전입력(-)에 입력되는 전류 I1과 반전입력(-)에서 출력단으로 흐르는 전류 I2의 관계는 다음과 같이 된답니다.

따라서, 입력대 출력비 즉, 증폭률과 출력은 다음과 같이 계산되어집니다.

이러한 결과 연산증폭기의 입력에 대한 출력, 즉 증폭률은 입력요소인 Rin과 궤환요소인 Rf의 비율에 의해 결정되고, 

출력이 (+)로 표시는 것은 입력 신호와 출력신호가 동일 위상을 갖는다는 의미가 되고, 이러한 증폭동작을 

비반전 증폭이라 한답니다.

그런데 여기서 연산 증폭기의 포화상태를 억제하기 위해 사용된 부품을 제거하고 출력단을 바로 입력단으로 

궤환하는 회로를 구성한다면 어떠한 특성이 나타날까요..

이러한 회로를 전압플로워(Voltage Follower)이라고 하는데, 회로구성은 연산증폭기의 출력을 반전입력단자로 

바로 연결한 회로랍니다.

계속해서 전압플로워(Voltage Follower)에 대해 간략하게 살펴봅시다.

연산증폭기 입력단은 가상단락에 의해 입력신호 Vin는 바로 출력신호로 나타나게 되므로 Vin=Vout 이 된답니다.

이를 수식으로 표시하면

따라서 연산증폭기는 증폭기능을 수행하지 않고, 입력 신호를 그대로 출력으로 내보내는 기능을 수행하는 것으로

나타납니다.

이러한 전압플로워 회로를 완충 증폭이라하고, 완충 증폭기는 입/출력임피던스가 다른 두개의 회로를 연결할 때 

사용한답니다.

이 외에도 연산증폭기 입력단에 신호전압을 인가했을 때 나타나는 출력 전압이 시간에 따라 변하게 되는데, 

이러한 출력전압의 시간 변화율을 슬루율(Slew Rate)하고 하고, 연산증폭기의 동작에 영향을 미치는 

가장 중요한 요소랍니다.

이상으로 연산증폭기의 반전, 비반전 증폭동작에 대해 알아보았습니다.

다음으로는 연산증폭기에서 많이 사용하고 있는 비선형회로 중 콤퍼레이터 (Voltage Comparator : 비교기)에 대해

알아보겠습니다. ^^

[Der Techniker]

어떤 특정 함수식의 출력값을 나오게 하기 위해 OP Amp 몇개를 조합해서 사용한다고 하더군요.

좋은 글 잘 읽었습니다. 감사합니다.