Transcript (7판)12장

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Chapter 12
연산 증폭기
Electronic Device (Floyd )- Ch. 12
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목
표
 기본적인 연산 증폭기와 그 특성
 연산 증폭기 방식과 파라미터
 연산 증폭기회로에서의 부귀환
 반전, 비반전, 전압 플로어 연산 증폭기의 구성
 세가지 연산 증폭기 구성시의 임피던스
 연산 증폭기 보상
 연산 증폭기의 개루프 및 폐루프 응답
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12-1. 연산 증폭기의 개요
• 연산 증폭기 (Operational amplifier ; op-amp)
• 수리적인 연산(사칙연산)에 주로 사용
• 초기에는 높은 전압에서 동작하는 진공관으로 구성하였으나
지금은 낮은 직류 전원을 사용하는 집적회로로 발전
• 높은 신뢰도와 가격이 저렴
연산 증폭기의 기호와 패키지
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이상적인 연산 증폭기
1) 무한대의 전압이득과 무한대의 대역폭
2) 개방상태에서 입력 임피던스가 무한대
3) 출력 임피던스가 0
실제의 연산 증폭기
• 이상적인 소자 구현 불가능
1) 매우 높은 전압이득
2) 매우 높은 입력 임피던스
3) 매우 작은 출력 임피던스
기본적인 연산증폭기의 표현
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연산 증폭기의 내부 블럭
1) 차동 증폭기 입력단
2) 전압 증폭기 이득단
3) 푸시풀 증폭기 출력단
연산증폭기의 내부 구성
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차동 증폭기 입력단
– 입력에 가해지는 두 입력신호의 차를 증폭시키는 증폭기
기본적인 차동 증폭기
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차동 증폭기의 기본 동작
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12-2. 연산 증폭기 입력 방식과 파라미터
입력신호 방식
단일 입력 방식
차동 입력 방식
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동상 입력 방식
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동상 신호 제거비
• 동상신호 제거비(common-mode rejection ratio ; CMRR)
- 증폭기의 입력단에 원하지 않는 신호가 유기될 때 이를
증폭기 내부에서 제거하는 비율(동상신호는 입력신호에
유기되는 각종 잡음들)
- 증폭기의 성능을 평가하는 중요 파라미터
- 이상적인 연산증폭기는 원하는 신호 입력에 대한 이득이
매우 높으며, 동상신호에 대한 이득은 0
- 동상이득에 비해 개루프 전압이득이 높을수록 좋은
증폭기
CMRR = Aol /Acm
CMRR = 20 log(Aol/Acm)
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동상 입력 전압 범위
• 두 입력 단자에 신호전압을 인가하였을 때 출력에 클리핑이나
왜곡을 초래하지 않는 입력전압의 범위
• 공급전압이 ±15V일 때 ±10V의 동상 입력 전압 범위
입력 오프셋 전압(Vos)
• 차동 입력전압을 인가하지 않아도 연산 증폭기의 차동
입력단의 베이스와 이미터 사이의 전압값이 약간 차이가
발생하여 작은 직류 전압이 발생
입력 바이어스 전류
• 증폭기의 첫째 단을 적절히 동작시키기
위해 증폭기의 입력에 필요한 전류
IBIAS = (I1+I2)/2
입력 바이어스 전류
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입력 임피던스
• 차동 입력 임피던스와 동상 입력 임피던스
• 차동 입력 임피던스 : 반전입력과 비반전 입력 사이의 전체저항
- 차동 입력의 변화에 따라 흐르는 바이어스 전류의 변화값을
측정하여 결정
• 동상 입력 임피던스 : 각 입력과 접지 사이의 저항
- 주어진 동상 입력 전압 변화에 따라 흐르는 바이어스 전류의
변화값을 측정하여 결정
입력 임피던스
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입력 오프셋 전류(Ios)
• 입력 바이어스 전류간의 차
Ios = l I1 - I2 l
• 대부분 무시되나 높은 이득과 높은 입력 임피던스를 갖는
증폭기는 가능한 입력 오프셋 전류가 작아야 됨.
⇒ 높은 입력저항을 통해 흐르는 전류의 차이가 오프셋 전압을 유발
Vos = IosRin
출력 임피던스
• 연산 증폭기의 출력단자에서 본 저항
입력 오프셋 전류의 영향
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출력 임피던스
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슬루율
• 계단파 입력이 인가되었을 때 시간에 따른 출력전압의 최대
변화율로 연산증폭기의 내부 증폭단에서의 고주파 응답에 의존
슬루율 = △Vout / △t
주파수 응답
•전압이득이 접합 정전용량에 의해 제한되는데 저주파 응답은 거의
직류(0Hz)
슬루율 측정
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12-3. 부귀환
• 부귀환 – 증폭기의 출력중 일부가 입력신호의 반대 위상각을
가지고 다시 입력으로 되돌아가는 과정
• 부귀환을 사용하면
- 개루프 전압이득을 줄이면서 조절 가능하므로 연산증폭기를
선형증폭기로 사용 가능
- 안정적으로 조절 가능한 전압 이득을 제공함과 동시에 입출력
임피던스 제어와 대역폭의 제어가 가능
부귀환 구성
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전압이득
입력 Z
출력 Z
대역폭
부귀환이
아닌 경우
개루프전
압 이득이
너무 큼
비교적
높음
비교적
낮음
비교적
좁음
부귀환인
경우
개루프
전압이득
을 조절
가능
원하는
값으로
조절 가능
원하는
값으로
줄일수
있음
상당히
넓음
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12-4. 부귀환 연산증폭기
폐루프 전압이득
• 외부 귀환이 있는 경우의 연산 증폭기의 전압이득
• 외부 부품값에 의해 결정되며 정확히 조절 가능
비반전 증폭기
• 연산증폭기를 폐루프로 구성하고 전압 이득을 조절
• 귀환전압은
Vf = [Ri/(Ri+Rf)]Vout
• 비반전 증폭기의 폐루프 이득은
A cl(NI) = 1/B = 1 + Rf/R1
• 귀환율은 B=[Ri / (Ri +Rf )]
비반전 증폭기
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전압 플로어
• 모든 출력전압이 반전입력단자로 귀환되는 비반전 증폭기
• 귀환율은 B=1이므로 폐루프 이득은 Acl(VF) = 1
• 매우 높은 입력 임피던스와 매우 낮은 출력 임피던스를
가져 이상적인 완충증폭기 역할
전압 플로어
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반전 증폭기
• 입력신호가 반전단자로 입력되고
출력도 반전단자로 귀환되는 증폭기
• 폐루프 전압이득은 A cl(I) = - Rf /Ri
반전 증폭기
전류의 화살표 방향은 전부 반대
가상접지 개념과 반전 증폭기의 폐루프 전압 이득 해석
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12-5. 연산증폭기의 임피던스에 부귀환이 미치는 영향
비반전 증폭기
• 입력 임피던스
- 귀환율이 B = [Ri/(Ri + Rf)] 일 때
Zin(NI) = (1 + AolB)Zin
- 부귀환을 갖는 증폭기의 입력 임피던스가
연산증폭기 내부의 입력 임피던스보다 훨씬
크다는 것을 의미
입력 임피던스
• 출력 임피던스
Z(out) = Zout/1 + AolB
- 부귀환을 갖는 구조의 증폭기가
내부 출력 임피던스보다 훨씬
작음을 의미
출력 임피던스
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전압 플로어
• B=1을 적용하면
Zin(VF) = (1+Aol )Zin , Zout(VF) = Zout/1 + Aol
반전 증폭기
• 입력 임피던스
Zin(I) ≡ Ri
• 출력 임피던스
Zout(I) = Zout / (1 + AolB)
반전 증폭기
• 부귀환에 의해 감소
가상 접지
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12-6. 바이어스 전류 및 오프셋 전압 보상
입력 바이어스 전류의 영향
• 입력 바이어스 전류는 출력 오차전압을 발생
1) 반전 증폭기 : I1Rf
2) 전압 플로어 : -I1Rs
3) 비반전 증폭기 : I1Rf
전류의 화살표 방향은 전부 반대
전압 플로어의 입력 바이어스전류에
의한 출력 오차 전압
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반전증폭기의 입력 바이어스전류에
의한 출력 오차 전압
비반전 증폭기의 입력 바이어스전류에
의한 출력 오차 전압
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전압 플로어의 바이어스 전류 보상
전류의 화살표 방향은 전부 반대
• 바이어스 전류에 의해 발생되는 출력
오차 전압은 귀환 경로에 Rf와 동일한
저항을 첨가함으로써 효과적으로 제거
반전, 비반전 회로의
바이어스 전류 보상
전압 플로어의
바이어스 전류 보상
• Rc를 접속하여 보상
• 저항 크기는 Ri llRf
• 전류 보상이 필요 없는 BiFET
(bipolar+JFET) 사용(더 높은
입력 임피던스를 얻기 위해)
반전, 비반전 회로의 바이어스 전류 보상
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입력 오프셋 전압의 영향
• 차동 입력이 0일 때 출력전압은 0이어야
하나 작은 출력오차 전압이 발생 ⇒ 내부
트랜지스터가 동일하지 않기 때문
• 출력 오차 전압은 Vout(error) = AclVIO
전압 플로어는 Acl=1 이므로
등가 입력 오프셋 전압
V out(error) = VIO
입력 오프셋 전압의 보상
• 대부분의 연산증폭기는
오프셋 전압 보상
회로를 제공
741 연산증폭기에 대한 입력 오프셋 전압 보상
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12-7. 개루프 응답
연산증폭기 이득 복습
개루프 및 폐루프 연산증폭기 구성
주파수에 따른 이상적인 개루프 전압 이득
이득의 주파수 의존성
• 중간 대역에서의 연산증폭기의 개루프 이득은 0
주파수(dc)에서부터 중역값의 3dB작은 임계주파수 까지를 의미
• 연산증폭기는 직류 증폭기이므로 하한 임계주파수 존재하지 않음.
• 3dB 개루프 대역폭 : BW=fcu-fcl에서 fcl=0이므로 BW=fcu
• 단위이득 대역폭 : 이득곡선이 0dB까지 감소할 때의 주파수 값
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주파수에 따른 이득 해석
• 연산 증폭기 내의 RC 지연(저주파
통과) 회로는 주파수가 증가하는 만큼
이득이 롤-오프 하는 응답
- 연산증폭기와 RC 지연회로를
결합하였을 떄 개루프 이득은
Aol = Aol(mid)/1 + f 2/fc2
이득 구성요소와 RC 회로를 포함한 연산증폭기
위상 변이
• θ = -tan-1(R/Xc) = -tan-1(f/fc)
입력 전압에 대한 출력 전압의 위상 지연
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완전 주파수 응답
• 다단으로 구성될 때 각 단의 롤-오프를 합한 값
완전 위상 응답
• θtot = - tan-1(f/fc1)
- tan-1(f/fc2)
- tan-1(f/f c3)
연산증폭기의 개루프 주파수 응답
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12-8. 폐루프 응답
부귀환 회로가 대역폭에 미치는 영향
• 폐루프 임계주파수는
fc(cl) = fc(ol) (1+BAol(mid))
• 폐루프 대역폭은
BWcl = BWol(1 + BAol(mid))
이득-대역폭
개루프와 폐루프 이득의 비교
• 폐루프 이득이 증가하면 대역폭은 감소하고 반대로 대역폭이
감소하면 이득이 증가
• 이득과 대역폭의 곱은 일정 Aclfc(cl) = Aolfc(ol)
• 이득-대역폭 곱은 연산 증폭기의 개루프 이득이 1 또는 0dB인
주파수와 동일
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