연산증폭기(OP Amp) 1. 개요

        1. diode  2. transistor 에 이은 3번째 소자, 3. OP Amp
0. keyword  
 : 이상적인 연산증폭기, 가상단락, 가상접지, 반전, 비반전, 전압플로어, 차동증폭기, 계측증폭기, 적분기, 증폭기, 정밀 반파 정류기, 주파수특성, 파라미터, 고장진단. 

      
1.1 용도
:   선형 및 비선형 아날로그 회로에 폭넓게 사용
   AC,DC 신호증폭기/ 임피던스 매칭용 버퍼/ 전류-전압 변환기
   적분기/ 정밀 전류기/ 아날로그 필터/ 발진기
=> 아날로그에서 가장 많이 쓰는 소자가 아닐까...


  1.2 OP Amp(operational amplifier)의 역사
   -  1941. 발명 
                [미국 Bell Lab, 범용 고이득 반전피드백 증폭기]
   - 1953. 최초 상업용 OP Amp 출시  
               [GAP/R, 진공관 연산증폭기(model K2-W)] 
   - 1961. 최초의 실리콘 OP Amp
               [GAP/R, 실리콘 TR을 연결 (model P45) ]
   - 1963. 최초의 IC(Integrated Circuit) OP Amp
               [페어차일드, uA702, BJT와 저항이 단일 칩에 집적한 형태]
   - 1968. IC OP Amp의 보편화
               [페어차일드, LM101(1967년) + uA741(1968년) 상용화]

최초 OP Amp와 대량생산의 시작인 IC OP Amp

2. OP Amp(연산증폭기)는 어떤 것일까?
 
2.1 입/출력 단자
- 입력 2개, 출력 1개, 전원 2개.
                 +  (오프셋 제거[offset nulling] 단자)

        2.1.1 2개의 입력
           - 반전(inverting) 입력 단자            ; (-)표시
           - 비반전(noninverting) 입력 단자  ; (+)표시

         2.1.2  1개의 출력

         2.1.3 전원단자.
            - (+)전원 ; (+)전원 인가
            - (-)전원 ; (-)전원

          2.1.4 Offset 제거 단자 ; 쓰는 소자, 안쓰는 소자가 있음.


2.2 OP Amp 기능
핵심 ; 2개의 입력 신호 차이를 증폭

v1, v2의 입력차이를 Aod만큼 증폭한다.
 (Aod는 개방루프 이득)
=> (v1-v2)가 아니고 (v2-v1)인 이유.
  ; v1이 (-)값이므로... (+)의 결과얻기 위해

2.3 실제 회로
; 아래의 복잡한 회로를, 삼각형의 심볼로 단순화하여 표현하는 것이다.

3. 이상적인 OP Amp특성
 3.1 개방루프 이득(Aod), 입력저항(Ri) ; 무한대
  ->∞
 3.1 입력바이어스 전류(I1, I2), 출력저항(Ro) ; 0
  ->0 
 3.3 공통모드(Common Mode) 제거비; 무한대
  ->∞

Ro->∞로 되어 있는 것은 오타이다. Ro -> 0임.

; Open된 것 처럼, 무한대의 이득을 가진 저항을 상상해보자.
 (Aod, Ri ->∞,) 
 그리고 출력에서 보았을 때는 단순한 도선과 같다.
 (I1,I2, Ro -> 0)
=> 어떻게 상상하든, 이 특성은 외워야 한다. 


3.4 이상과 현실의 파라미터(Parameter) 차이

3.5.  가상단락/ 가상접지

3.5.1 가상단락
 ; 이상적인 OP Amp는 입력전압차(Vd) =0 이다.
 [I1 = I2 = 0]
=> 즉, 두 입력단자가 붙어있다는 뜻.
=> 가상단락.
=> 원리는, Aod가 무한대이므로, Vd = Vo/Aod = Vo/∞ = 0 이 된다.
     출력전압(Vo)가 얼마가 되었든 이득이 무한대여서, Vd =0이 되는 것.

3.5.2 가상접지
; 가상단락의 원리를 이용한다.
=> 한쪽 입력에 GND(0[V])를 연결하면, 두 입력은 붙어있으므로, 다른 입력단자도 GND가 된다.

=> 이 성질은, 무한대의 개방이득(Aod = ∞) 에서 출발한 것이고,
     기능만 따지자면, 입력 쌍둥이,혹은 입력 복사 라고 암기하면 좋다.

3.6 Negative feedback을 거는 이유

3.6.1 Negative feedback
  : 출력신호 (Vo)를 (-)단자에 다시 입력시키는 것.

3.6.2 이유
이론적으로는, 무한대의 개방이득으로, Vd = 1[mV] 만 발생해도, 엄청나게 큰 출력(Vo)를 가질 수 있지만, 실제로는 전원전압(Vcc)를 넘어갈 수 없다.(에너지 보존)
=> 2~4V 작은 Vmax로 포화된다.

이 포화현상을 막기 위해서 사용한다.

3.6.4 Negative feedback이 어떤 모양으로 포화를 변화시키는가
; 이득을 줄이는 대신, 선형동작 범위가 늘어난다.

=> 즉, 포화되지 않고, 비례증폭하는 영역이 늘어난다.

=> 아래의 점선부분이 feedback을 걸지 않았을 때 의 특성이다.
    +Vmax, -Vmax를 수직으로 오가는 것을 볼 수 있다.
    (-)피드백을 걸면, 이 포화되는 변화율을 둔화시켜,
     linear하게 OP Amp를 사용할 수 있다.

어차피 무한대로 출력 못하니까, 선형영역을 넓히는게 이득이다.

4. 상용 OP Amp IC

741칩, 708칩, 704칩

- 741 : OP Amp 1개, Offset단자 포함
- 708 : OP Amp 2개, Offset없음
- 704 : Op Amp 4개, Offset없음


4.1 여러가지 상용 OP Amp
; chip모델을 알고, Datasheet를 잘 기억하는 것이, 생각보다 중요하다.

출처 : KOCW. 영남대학교. 전자회로. 김성원
http://contents.kocw.or.kr/contents4/html/2013/Yeungnam/KimSungwon/12-1/default.htm