수동 컴포넌트인 저항기 및 커패시터를 비롯해 연산 증폭기는 아날로그 전자 회로를 구성하는 기본 요소 중 하나입니다. 연산 증폭기는 이상적인 수준에 가까운 DC 증폭에 필요한 모든 특징을 갖춘 선형 장치이기 때문에 신호 컨디셔닝 또는 필터링이나 덧셈, 뺄셈, 적분, 미분 같은 수학 연산을 수행하는 데 널리 사용됩니다. 본 문서의 목적은 전자 제품 설계가 처음인 사용자에게 기본 회로 10가지를 소개하고 나태해진 엔지니어들의 마음을 환기하는 것입니다.
1. 전압 폴로워
가장 기본적인 회로는 외부 컴포넌트가 전혀 필요하지 않은 전압 버퍼입니다. 전압 출력과 전압 입력이 같기 때문에 학생들은 혼란스럽고 이러한 유형의 회로를 실제로 활용할 수 있는지 궁금할 수 있습니다.
이 회로를 사용하면 임피던스가 매우 높은 입력과 임피던스가 낮은 입력을 만들 수 있습니다. 두 컴포넌트 간에 로직 수준을 인터페이스로 연결하고 싶거나 전압 분배기를 기반으로 전력 공급을 할 때 이 회로가 유용합니다. 아래 그림은 전압 분배기를 기준으로 한 것으로, 회로는 기능할 수 없습니다. 실제로 부하 임피던스는 편차가 클 수 있기 때문에 주로 부하 임피던스의 크기가 R2와 같은 경우에 Vout 전압이 대폭 변할 수 있습니다.
이 문제를 해결하기 위해 부하와 전압 분배기 간에 증폭기(아래 그림 참조)를 삽입했습니다. 따라서 Vout는 부하 값이 아니라 R1 및 R2에 따라 달라집니다.
연산 증폭기의 주 목적은 이름에서 알 수 있듯이 신호를 증폭하는 것입니다. 예를 들어 ADC가 이 신호를 측정하도록 하려면 센서 출력을 증폭해야 합니다.
2. 변환 연산 증폭기
이 구성에서는 출력이 저항기(R2)를 통해 부극성 또는 변환 입력에 다시 공급됩니다. 입력 신호는 저항기(R1)를 통해 이러한 변환 핀에 적용됩니다.
정극성 핀은 접지됩니다.
R1과 R2가 동일한 경우에는 특히나 그렇습니다. 이 구성에서는 출력이 입력 신호와 정확하게 반대일 때 입력을 보완하는 신호를 만들 수 있습니다.
부극성 신호로 인해 출력 및 입력 신호는 역상(out of phase)이 됩니다. 두 신호 모두가 동상(in phase)에 있어야 하는 경우에는 비 변환 증폭기가 사용됩니다.
3. 비 변환 연산 증폭기
이 구성은 변환 연산 증폭기와 매우 비슷합니다. 비 변환 증폭기에서는 입력 전압이 비 변환 핀에 직접 적용되고 피드백 루프의 단말이 접지됩니다.
이러한 구성에서는 하나의 신호를 증폭할 수 있습니다. 가산 증폭기를 사용하면 여러 신호를 증폭하는 것도 가능합니다.
4. 비 변환 가산 증폭기
전압 2개를 추가하려면 정극성 핀에서 저항기 2개를 비 변환 연산 증폭기 회로에 추가하면 됩니다.
몇 개의 신호를 추가하는 것은 그다지 유연한 해결 방법은 아니라는 점을 기억하시기 바랍니다. 실제로 똑같은 저항기에 세 번째 전압이 추가된 경우에는 공식이 Vs = 2/3 (V1 + V2 + V3)이 됩니다.
Vs = V1 + V2 + V3를 구하기 위해 저항기를 변경해야 할 수도 있으며, 두 번째 옵션으로 변환 가산기 증폭기를 사용할 수도 있습니다.
5. 변환 가산 증폭기
변환 연산 증폭기 회로의 변환 핀에서 저항기를 병렬로 추가하면 모든 전압이 가산됩니다.
비 변환 가산 증폭기와 달리 저항기 값을 변경하지 않고도 원하는 수만큼 전압을 추가할 수 있습니다.
6. 차동 증폭기
변환 연산 증폭기(2번 회로 참조)가 변환 핀에 적용된 전압을 증폭했고, 출력 전압이 역상이 되었습니다. 이 구성에서는 비 변환 핀이 접지되어 있습니다.
비 변환 증폭기에서 전압 분배기를 통해 전압을 적용하여 위의 회로를 증폭하면 아래 그림에서와 같이 차동 증폭기가 만들어집니다.
증폭기는 전압을 더하거나 빼거나 비교할 수 있다는 점 외에도 유용합니다. 다수의 회로가 있어 신호를 수정할 수 있습니다. 가장 기본적인 사항부터 살펴보겠습니다.
7. 적분기
예를 들어 마이크로컨트롤러의 GPIO를 토글하는 것만으로도 방형파를 매우 손쉽게 생성할 수 있습니다. 회로에 삼각 파형이 필요한 경우에 좋은 방법은 간단하게 방형파 신호를 적분하는 것입니다. 아래 그림에서와 같이 연산 증폭기, 변환 피드백 경로의 커패시터, 그리고 입력 변환 핀의 저항기에서 입력 신호가 적분됩니다.
저항기는 포화 상태에서 종종 커패시터에 병렬로 연결된다는 사실에 유의해야 합니다. 실제로 입력 신호가 주파수가 매우 낮은 사인 파일 경우, 커패시터는 개방 회로처럼 작동하면서 피드백 전압을 차단합니다. 따라서 증폭기는 개방형 루프 게인이 높은 일반적인 개방형 루프 증폭기처럼 보이며, 증폭기는 포화 상태가 됩니다. 저항기가 커패시터와 병렬로 연결되어 있기 때문에 회로는 저 주파수에서 변환 증폭기처럼 작동하고 포화 상태를 피할 수 있습니다.
8. 미분기 증폭기
미분기는 커패시터와 저항기를 스왑하여 적분기와 유사하게 작동합니다.
현재까지 제안된 모든 구성은 다음과 같습니다.
9. 변환기 전류 – 전압
광검출기는 빛을 전류로 변환합니다. 전류를 전압으로 변환하기 위해 연산 증폭기가 있고 비 변환 증폭기에서 피드백 루프가 저항기를 통과하며 두 입력 핀 간에 다이오드가 연결된 간단한 회로를 통해 포토다이오드에서 생성된 전류와 비례하는 출력 전압을 생성할 수 있는데, 빛 특성을 통해 증명이 가능합니다.
위의 회로에서는 기본 공식과 함께 옴의 법칙이 적용되기 때문에 저항에 전류를 곱한 값이 전압이 됩니다. 저항은 단위가 옴(Ohm)이고 항상 양의 값을 갖습니다. 하지만 연산 증폭기 덕분에 음 저항도 설계할 수 있습니다!
10. 음 저항
변환 핀에 대한 피드백에서는 반드시 출력 전압이 입력 전압의 두 배가 되어야 합니다. 출력 전압은 항상 입력 전압보다 크기 때문에 비 변환 핀의 R1 저항기를 통한 양의 피드백은 음 저항을 시뮬레이션합니다.
마지막으로 연산 증폭기가 있는 회로는 입력 신호를 수정하지 않을 수도 있지만, 피크 검출기 증폭기와 같이 입력 신호를 기록합니다.
피크 검출기 연산 증폭기
커패시터는 메모리로 사용됩니다. 비 변환 입력의 입력 전압이 변환 입력의 전압(커패시터의 전압이기도 함) 보다 클 때, 증폭기는 포화 상태가 되고 다이오드가 전방향이 되어 커패시터를 충전합니다. 입력 전압 Ve가 커패시터의 전압보다 낮으면 커패시터가 고속 자체 방전이 되지 않는다고 가정하고 다이오드가 차단됩니다. 그러므로 커패시터 덕분에 피크 전압이 기록됩니다.
연산 증폭기에서 추가로 다수의 회로를 사용할 수 있지만, 이러한 기본적인 10가지 회로를 이해해야 보다 복잡한 회로도 쉽게 배울 수 있습니다.