[OPAMP] 연산증폭기 특성 분석

※ OPAMP는 Operrational Amplifier 의 약자로 연산 기능과 증폭 기능을 수행하는 능동 IC 소자

Gravitiy사의 AC전류센서 모듈 회로도

(1) 개요

센서의 미세한 전류 또는 전압을 증폭해서 ADC로 읽어 디지털 데이터화 하는 용도로 사용할 때에는

OPAMP를 이용한 신호의 증폭은 필수이다.

(2) 이상적인 OPAMP 모델 규칙

https://en.wikipedia.org/wiki/Operational_amplifier

1. V+(비반전 단자) 입력과 V-(반전 단자)를 입력 받아 차동 증폭으로 Vout으로 출력하는 구조로 되어 있음
2. Vout은 V+ 입력과 V- 입력의 전위차에 증폭 이득 (Gain) A 를 곱하여 출력 : Vout = A * (V+ - V-)
3. 입력 임피던스 (Vin) 단자의 임피던스는 무한대 이므로 어떤 전류도 입력되지 않음
4. 출력 임피던스 (Vout)은 이상적으로 0
5. 증폭이득 A는 무한대로 V+ 단자와 V- 단자 사이의 전위차가 조금이라도 있다면 -무한대, +무한대가 된다.

(3) 실제 OPAMP IC LMV324 분석

※ 이상적인 OPAMP 모델과 실제 OPAMP의 비교 분석

LCSC사 제공/ LMV324

파라미터	이상적인 OPAMP 모델	실제 OPAMP (LMV324)
입력 임피던스 Zin	∞ 무한대	BJT 계열은 1MΩ ~ 20MΩ / FET 계열은 100MΩ 이상
출력 임피던스 Zout	0	수십Ω (2~100Ω)
증폭 이득 A	∞ 무한대	100,000 배
동작대역폭 (Bandwidth)	∞ 무한대	1MHz
오프셋 전압(offset)	0	max. 7mV
입력 전압 한계	∞ 무한대	OPAMP의 입력전원에 따른다.
출력 전압 한계	∞ 무한대	OPAMP의 입력전원에 따른다.
슬루 레이트 (Slaw rate)	∞ 무한대	1V/us
입력 바이어스 전류 (Input Bias Current)	0	max 250nA
최대 출력 전류	∞ 무한대	SINK/SORCE 전류 한계가 있다.

(1) 입력 전원 (Supply Voltage)

타 소자들과 마찬가지로 입력 전원에 대한 한계가 있음. (능동소자, 소자가 역할을 하기위해서는 전원이 필요)

• 단전원 (Single Supply) OPAMP : 입력전원이 0V ~ +xV
• 양전원 (Dual Supply) OPAMP : 입력전원이 -xV ~ +xV

※ LM324의 경우 단전원 OPAMP

(2) 동작 전압 구간

OPAMP는 공급되는 전원 전압 이내에서 동작.

https://fabmodules.com/difference-between-single-supply-and-rail-to-rail-opamps/

• Rail to Rail OPAMP : 공급되는 전원 전압의 범위 까지 거의 출력이 가능
• 일반 OPAMP : 입력 전원의 전체 전압 범위를 사용하지는 못함

※ LM324의 경우 Rail to Rail 타입의 OPAMP (Rail to Rail 타입의 경우 이름에 V가 추가되는 경우가 많음)

• Positive Saturation Voltage : 양의 전압의 한계가 정해지는 것
• Negative Saturation Voltage: 음의 전압의 한계가 정해지는 것

(3) 최대 차동 입력 전압 (Differential Input Voltage)

비반전 단자와 반전 단자에 직접적으로 인가할 수 있는 상호 간의 최대 전압차를 의미.

※ LM324의 경우 ± 5.5V

(4) 입력 오프셋 전압 (Input Offset Voltage)

이상적으로 비반전, 반전 입력의 전압차이인 Offset Voltage는 0V 이지만

BJT/FET 공정으로 인해 단자 간 입력 오프셋 전압 차이가 발생한다.

필요에 따라서 오프셋 전압을 보정하기 위한 회로가 필요할 수 있다.

※ LM324의 경우 max. 7mV

(5) 신호 증폭률 (Large Signal Voltage Gain)

출력 전압과 입력 전압과의 비율.

dB 또는 V/mV로 제공된다.

※ LM324의 경우 100V/mV 이므로, 반전 단자와 비반전 단자와의 1mV 입력 전압차에 대해 100V 출력을 의미하므로 증폭률은 100,000배로 거의 무한대로 봐도 좋다.

(6) 최대 출력 전류 (Output Current)

OPAMP가 출력할 수 있는 최대 전류를 의미

• SINK : 받아들일 수 있는 전류
• SOURCE : 출력할 수 있는 전류

※ OPAMP의 출력 전류가 부족할 경우 OPAMP 자체에서 전류를 공급하는 것이 아닌 BJT,  FET을 이용하여 전류 부스트 회로를 추가등의 방법을 강구 할 수도 있다.

(7) 입력 바이어스 전류 (Input Bias Current)

이상적인 OPAMP는 입력 임피던스가 무한대라 단자 내부로 전류가 전혀 흐르지 않아야 하지만, 실제로는 V+,V- 단자 내부로 미소량의 전류가 흘러 들어간다. 이 전류를 입력 바이어스 전류라 한다.

 

※ 입력단자의 외부 회로를 구성할 때 너무 높은 저항을 사용하게 되면 이 입력 바이어스 전류의 영향을 받아 오차가 발생한다. 이런 이유로 OPAMP 증폭 회로의 피드백 저항은 보통 1KΩ ~ 20KΩ 사이의 값을 많이 사용한다.