오프셋 앰프 또는 연산 증폭기

오퍼레이셔널 앰프 또는 오프 앰프는 매우 높은 전압 증폭을 가진 직류 결합 전압 앰플리파이어입니다.

오프 앰프는 본질적으로 여러 개의 앰플리파이어 단계가 매우 복잡하게 상호 연결된 다단계 앰플리파이어입니다. 그 내부 회로는 많은 트랜지스터, FET 및 저항으로 구성됩니다. 이 모든 것이 매우 작은 공간을 차지합니다. 따라서, 그것은 작은 패키지에 포장되어 있으며, 집적 회로 (IC) 형태로 제공됩니다. 오프 앰프라는 용어는 증폭, 감산, 미분, 덧셈, 적분 등 다양한 연산을 수행하도록 구성할 수 있는 앰플리파이어를 나타냅니다. 대표적인 예는 매우 유명한 IC 741입니다.

기호와 실제 모습은 아래에 표시되어 있습니다. 기호는 화살표 모양으로, 신호가 출력에서 입력으로 흐르는 것을 의미합니다.

오퍼레이셔널 앰프의 입력 및 출력 단자

오프 앰프는 두 개의 입력 단자와 하나의 출력 단자를 가지고 있습니다. 위에서 보았듯이, 오프 앰프는 또한 두 개의 전압 공급 단자를 가지고 있습니다. 두 개의 입력 단자는 차동 입력을 형성합니다. 우리는 음(-) 부호가 표시된 단자를 역전 단자라고 하고, 양(+) 부호가 표시된 단자를 비역전 단자라고 합니다. 만약 역전 단자(-)에 입력 신호를 적용하면, 증폭된 출력 신호는 적용된 입력 신호에 대해 180o 위상이 됩니다. 만약 비역전 단자(+)에 입력 신호를 적용하면, 출력 신호는 입력 신호와 같은 위상을 가지게 됩니다, 즉 위상 변위가 없습니다.

오퍼레이셔널 앰프의 전원 공급

회로 기호에서 볼 수 있듯이, +VCC와 –VCC라는 두 개의 입력 전원 공급 단자가 있습니다. 오프 앰프의 작동을 위해서는 쌍극성 DC 공급이 필요합니다. 쌍극성 공급에서는 +VCC를 양의 DC 공급에, –VCC 단자를 음의 DC 공급에 연결합니다. 그러나 몇몇 오프 앰프는 단극성 공급에서도 작동할 수 있습니다. 참고로, 오프 앰프에는 공통 접지 단자가 없으므로, 접지는 외부에서 설정해야 합니다.

오프 앰프의 작동 원리

오퍼레이셔널 앰프의 오픈 루프 작동

앞서 언급했듯이, 오프 앰프는 차동 입력과 단일 종단 출력을 가지고 있습니다. 따라서, 만약 역전 단자와 비역전 단자에 각각 신호를 적용하면, 이상적인 오프 앰프는 두 입력 신호 간의 차이를 증폭합니다. 이 두 입력 신호 간의 차이를 차동 입력 전압이라고 합니다. 아래의 방정식은 오퍼레이셔널 앰프의 출력을 나타냅니다.여기서, VOUT은 오프 앰프의 출력 단자의 전압입니다. AOL은 주어진 오프 앰프의 오픈 루프 게인이며, 이는 일정합니다 (이론적으로). IC 741의 경우, AOL은 2 x 105입니다.
V1은 비역전 단자의 전압입니다.
V2는 역전 단자의 전압입니다.
(V1 – V2)는 차동 입력 전압입니다.
위의 방정식에서 알 수 있듯이, 출력이 0이 아닌 경우는 차동 입력 전압이 0이 아닌 경우(V1과 V2가 같지 않은 경우)이며, V1과 V2가 같으면 출력은 0이 됩니다. 참고로, 이것은 이상적인 조건이며, 실제로는 오프 앰프에 작은 불균형이 존재합니다. 오프 앰프의 오픈 루프 게인은 매우 높습니다. 따라서, 오픈 루프 오퍼레이셔널 앰프는 작은 차동 입력 전압을 매우 큰 값으로 증폭합니다.
또한, 작은 차동 입력 전압을 적용하면, 오퍼레이셔널 앰프는 이를 상당한 값으로 증폭하지만, 출력의 이 중요한 값은 오프 앰프의 공급 전압을 초과할 수 없습니다. 따라서 에너지 보존 법칙을 위반하지 않습니다.

클로즈드 루프 작동

위에서 설명한 오프 앰프의 작동은 피드백이 없는 오픈 루프에 대한 것입니다. 클로즈드 루프 구성을 통해 피드백을 도입합니다. 이 피드백 경로는 출력 신호를 입력으로 다시 공급합니다. 따라서, 입력에는 두 신호가 동시에 존재합니다. 하나는 원래 적용된 신호이고, 다른 하나는 피드백 신호입니다. 아래의 방정식은 클로즈드 루프 오프 앰프의 출력을 나타냅니다.여기서 VOUT은 오프 앰프의 출력 단자의 전압입니다. ACL은 클로즈드 루프 게인입니다. 오프 앰프에 연결된 피드백 회로가 클로즈드 루프 게인 ACL을 결정합니다. VD = (V1 – V2)는 차동 입력 전압입니다. 피드백 경로가 출력 단자에서 비역전(+