운영 증폭기의 기본적인 회로 Top 10

연산 증폭기(op amp)는 거의 이상적인 DC 증폭에 필요한 모든 특성을 갖춘 선형 장치로, 신호 조정 또는 필터링, 더하기, 빼기, 적분, 미분과 같은 수학적 연산을 수행하는 데 광범위하게 사용됩니다. 이 기사에서는 전자 설계 초보자를 위한 기본적인 회로 10가지를 소개하고, 베테랑 엔지니어들에게 오래된 지식을 새롭게 상기시키는 것을 목적으로 합니다.

1. 전압 추종기

가장 기본적인 회로는 전압 버퍼로, 외부 구성 요소가 필요하지 않습니다. 전압 출력이 전압 입력과 동일하기 때문에, 학생들은 당혹스러워하며 이러한 종류의 회로가 실제로 어떤 용도가 있는지 궁금해할 수 있습니다.

이 회로는 매우 높은 임피던스 입력과 낮은 임피던스 출력을 만들어낼 수 있도록 합니다. 이는 두 구성 요소 간 로직 레벨을 연결하거나 전압 분배기를 기반으로 한 전원 공급 장치를 사용할 때 유용합니다. 아래 그림은 전압 분배기를 기반으로 하며, 이 회로는 제대로 작동할 수 없습니다. 실제로 부하 임피던스는 큰 변화를 가질 수 있으므로 V_out 전압이 크게 변할 수 있습니다. 특히 부하 임피던스가 R2와 같은 크기 값을 가지는 경우 더 그렇습니다.

이 문제를 해결하기 위해 하중과 전압 분배기 사이에 증폭기(아래 그림 참조)를 삽입합니다. 따라서 Vout은 하중 값이 아닌 R1과 R2에 따라 결정됩니다.

운영 증폭기의 주요 목표는 그 이름에서 알 수 있듯이 신호를 증폭하는 것입니다. 예를 들어, 센서의 출력 신호는 ADC가 이 신호를 측정할 수 있도록 증폭되어야 합니다.

2. 반전 연산 증폭기

이 구성에서는 출력이 저항(R2)을 통해 음극 또는 반전 입력으로 피드백됩니다. 입력 신호는 저항(R1)을 통해 이 반전 핀에 적용됩니다.

양극 핀은 접지에 연결되어 있습니다.

R1과 R2가 같을 때의 특별한 경우에서 이것이 명백합니다. 이 구성은 출력이 입력 신호와 정확히 반대가 되므로 입력 신호를 보완하는 신호를 생성할 수 있도록 합니다.

음의 기호로 인해 출력 신호와 입력 신호가 위상이 맞지 않습니다. 두 신호가 반드시 동일한 위상에 있어야 할 경우, 비반전 증폭기를 사용합니다.

3. 비반전 연산 증폭기

이 구성은 반전 연산 증폭기와 매우 유사합니다. 비반전의 경우 입력 전압이 비반전 핀에 직접 적용되며 피드백 루프의 끝은 접지에 연결됩니다.

이 구성은 하나의 신호를 증폭할 수 있게 합니다. 합산 증폭기를 사용하면 여러 신호를 동시에 증폭할 수도 있습니다.

4. 비반전 가산 증폭기

두 개의 전압을 더하려면 비반전 연산 증폭기 회로의 양극 핀에 저항 두 개만 추가하면 됩니다.

여러 개의 전압을 추가하는 것이 매우 유연한 해결책은 아니라는 점을 주목할 가치가 있습니다. 실제로, 동일한 저항을 사용하여 세 번째 전압을 추가하면 공식은 V_s = 2/3 (V₁ + V₂ + V₃)가 됩니다.

저항기를 변경하여 V_s = V₁ + V₂ + V₃를 달성하거나, 두 번째 옵션으로 반전 가산 증폭기를 사용할 수 있습니다.

5. 반전 합산 증폭기

반전 연산 증폭기 회로의 반전 입력 핀에 저항을 병렬로 추가하면 모든 전압이 합산됩니다.

비반전 합산 증폭기와 달리, 저항 값을 변경하지 않고도 어떤 수의 전압도 더할 수 있습니다.

6. 차동 증폭기

반전 연산 증폭기(회로 번호 2 참조)는 반전 핀에 인가된 전압을 증폭하며 출력 전압은 위상이 반전됩니다. 이 구성에서는 비반전 핀이 접지에 연결되어 있습니다.

위 회로에 대해 비반전단자에 전압 분배기를 통해 전압을 적용하여 수정하면, 아래에 보이는 것처럼 차동 증폭기를 얻게 됩니다.

증폭기는 전압을 더하거나 빼거나 비교할 수 있도록 해주는 것뿐만 아니라 여러 용도로 유용합니다. 많은 회로는 신호를 수정할 수 있도록 합니다. 가장 기본적인 회로를 살펴보겠습니다.

7. 인테그레이터

정사각형 파형은 예를 들어 마이크로컨트롤러의 GPIO를 토글하는 것만으로 매우 쉽게 생성할 수 있습니다. 만약 어떤 회로가 삼각형 파형을 필요로 한다면, 정사각형 파형 신호를 적분하는 것이 좋은 방법입니다. 아래와 같이 연산 증폭기, 역전 피드백 경로에 있는 커패시터, 그리고 입력 역전 핀에 연결된 저항을 사용하면 입력 신호가 적분됩니다.

저항은 종종 포화 문제를 해결하기 위해 커패시터에 병렬로 연결된다는 점을 유념하십시오. 실제로 입력 신호가 매우 낮은 주파수의 사인파일 경우, 커패시터는 개방 회로처럼 작동하여 피드백 전압을 차단합니다. 이때 증폭기는 매우 높은 개방 루프 이득을 가지는 일반적인 개방 루프 증폭기처럼 작동하며 포화 상태가 됩니다. 커패시터와 병렬로 연결된 저항 덕분에 회로는 저주파에서 반전 증폭기처럼 작동하며 포화를 방지할 수 있습니다.

8. 연산 증폭기 미분기

디퍼렌시에이터는 커패시터와 저항을 교환하여 적분기와 유사하게 작동합니다.

지금까지 제시된 모든 구성입니다.

9. 변환기 전류 – 전압

광 검출기는 빛을 전류로 변환합니다. 전류를 전압으로 변환하기 위해, 연산 증폭기와 비반전 입력에 저항을 연결한 피드백 루프, 두 입력 핀 사이에 연결된 다이오드가 포함된 간단한 회로를 사용하면 포토다이오드에 의해 생성된 전류에 비례하는 출력 전압을 얻을 수 있습니다. 이는 빛의 특성에 의해 명확하게 드러납니다.

위 회로는 기본 공식인 옴의 법칙을 적용합니다: 전압은 저항과 전류를 곱한 값과 같습니다. 저항은 옴(Ohm) 단위로 표시되며 항상 양수입니다. 그러나 연산 증폭기 덕분에 음의 저항을 설계할 수 있습니다!

10. 음의 저항

반전 핀에 대한 피드백은 출력 전압을 입력 전압의 두 배로 만듭니다. 출력 전압이 항상 입력 전압보다 높기 때문에, 비반전 핀에 있는 R1 저항을 통한 양의 피드백은 음의 저항을 모사합니다.

마지막으로, 연산 증폭기를 사용한 회로는 반드시 입력 신호를 수정하는 것이 아니라, 피크 검출 증폭기처럼 이를 기록합니다.

또한: 피크 검출기 연산 증폭기

콘덴서는 메모리로 사용됩니다. 비반전 입력의 입력 전압이 반전 입력의 전압, 즉 콘덴서를 가로지르는 전압보다 높을 때, 증폭기는 포화를 이루며 다이오드는 순방향으로 작동하여 콘덴서를 충전합니다. 콘덴서가 빠르게 자체 방전하지 않는다고 가정하면, 입력 전압 Ve가 콘덴서를 가로지르는 전압보다 낮을 때 다이오드는 차단됩니다. 따라서 콘덴서를 통해 피크 전압이 기록됩니다.

연산 증폭기를 활용한 더 많은 회로들이 있지만, 이 기본적인 10개의 회로를 이해하면 더욱 복잡한 회로를 쉽게 공부할 수 있습니다.