회로 이론(6) - OP-AMP(연산 증폭기의 해석)

안녕하세요, 넌준일기 Electronic & Computer Engineering - 회로 이론의 6번째 시간입니다.

 

'어떻게 하면 회로 이론을 빠르게 이해하고 실전에 사용할 수 있을까' 에 대한 고민에서 출발한 포스팅입니다.

 

이번 포스팅 OP-AMP(연산 증폭기의 해석)에서는

새롭게 배우는 소자인 Amplifier 에 대한 소개를 시작으로, 이상적인 op-amp가 존재할 때의 회로 해석의 방향성에 대해서 간략하게 살펴볼 것입니다.

지난 시간의 내용까지를 정리하고, 이와 관련된 예제 풀이를 지난 시간에 넣어두었으니까, 한번 풀고 보시고 와서

이제, 나는 잘 할 수 있다! 나름, 고수가 되었다😝 한다면, 지금 이 포스팅을 통해 더 배워보도록 할게요.

 

먼저 아래의 그림은 Operational Amplifier 입니다.

다음 그림에서, 우리가 조금 어색하게 느낄 수 있는 것은,

사실 다른 회로 소자와는 다르게 상당히 단자가 많다는 것에 있습니다.

비반전 입력 Vi+, 반전 입력 Vi-

양의 전력공급 VDD, 음의 전력공급 VSS

Output 출력 단자로 크게 나뉘게 되는데요,

 

 

 

쉽게 조금 말씀을 드리자면, 이 소자의 주요 기능은 출력과 입력이 연결되어 있을 때와 아닐 때가 상당히 차이가 나고, 그 차이가 나는 여러 피드백을 잘 읽어내는 것이 중요한데요, 참고로 실제 회로가 저렇게 생긴 것은 아닙니다. 저것은 op-amp 내부의 구조를 다음과 같은 삼각형의 형태의 layout으로 다시 나타내준 것에 불과하구요.

 

내부 구조는 아래 그림과 같아요.

우선, 두개의 입력은 (Vi+ - Vi-)로써 output 에 영향을 주게 됩니다.

그리고 두개의 입력 단자는 Ri라는 입력단의 저항과 연결되어 있는 것을 확인할 수 있는데요, 이 증폭기가 어떤 전원에 의해 컨트롤되며, 결국 이로부터 출력되는 전원의 종류가 무엇인지에 따라서 입력 저항 Ri와 출력 저항 Ro의 경향이 달라지게 됩니다. 이는, 나중에 더 추가적으로 포스팅에서 다루도록 할게요.

 

구조는 다음과 같습니다. 그림을 자세히 보면

Dependent Source 의 형태로,

Voltage to Voltage Amplifier 를 배우는 지금 시점에서는,

Dependent Source Constraint equation에서 볼 수 있듯이, 

입력 단자의 전압 차에 op-amp의 개방회로 이득(A)가 곱해진 꼴로 아웃풋 Voltage 가 출력단에 인가되는 것을 확인할 수 있습니다.

물론, 이러한 회로를 처음 봤던 몇 년전의 저도, 실제 노드 상으로 연결되지 않고, 출력단의 전압 강하가 Ro 에서 이루어지지 않고, 바로 출력 쪽 터미널의 전압 차가 증폭된 상태로 나온다고..? 라는 의구심을 품었었는데요,

 

아마도, 수업 시간에 여러분들께서는 입력 저항이 무한대라고 생각하고, 출력 저항을 0이라고 생각하고, 문제를 이상적으로 접근하여 

회로이론 문제들을 해결한다는 말들을 한번 쯤은 들어보셨을 거에요, 거기에 그 의구심의 해결방법이 들어있습니다.

 

흠.. 😉 우리는 왜 그런지 알고 넘어가야겠죠?

 

그 이유는 이 증폭기의 종류가 전압을 입력으로 받아서, 전압을 증폭해서 출력으로 내고자 하는 Voltage-Voltage Amplifier 라는 것에 기초를 둡니다. 우선, 제가 처음 걸어준, 초기의 전압 차가 있을 때 만약 Ri의 값이 좀 작다면, 금방 전류가 잘 흘러버릴거에요. 전류가 잘 흘러버린다는 것은, 곧 전류가 흐르면서, 전압값이 비슷하게 보정된다는 것을 소신호 해석 상으로 이해해볼 수 있어요. (우선, 소신호는 DC Analysis의 반대 경향으로 생각하시면 좋을 것 같아요, 추후에 전자회로에 입문하시면 더 정확한 정보를 아실 수 있을 거에요.)

 

그러면 우리가 인가해준 두 전압차가 출력단까지 잘 반영되지 않는 문제가 생깁니다. 그래서, 우리는 Ri 를 큰 값이라고 생각할수록 더 정확한 Amplifier 식에 맞춘 결과를 얻어낼 수 있는거에요. 마치, Ri 가 작다는 것은, 내가 총알을 쏴서 과녁을 맞춰야하는데, 바람이 많이 불어서, 잘 쏘더라도 정확히 표적에 일치하게 총알이 박히지 않는 상황과 비슷하다고 보시면 됩니다!

 

그래서 우리는 이상적 상황을 Ri =무한대라고 가정하게 되는겁니다.

그렇다면, Ro는 어떻게 되어야 할까요? 

네, 좋습니다. Ro는 엄청 작다고 생각해야만 하겠죠?

 

이 포스팅을 보고 오셨더라면, 단번에 이해하셨을 겁니다.

회로 이론(2) - 키르히호프 법칙(KVL.KCL)과 예제로 알아보는 옴의 법칙

 

Ro가 엄청 작다면, Dependent Source 바로 앞단의 노드 전압과 Ro 너머의 노드 전압이 일치하게 될거에요. 바로, 우리가 원하는 출력단자에 Dependent Source 로부터의 Constraint Equation이 적용이 가능할 겁니다.

 

OP-amp 에 대한 기본적인 사항들을 체크해보았는데요,

회로이론(5) - 테브냉과 노턴, 전원 변환 그리고 앞의 내용들을 포함하는 예제 문제 풀이를 통해서 개념을 점검하고, 복습하는 시간을 갖도록 하겠습니다.

 

감사합니다.

넌준 드림