운영 증폭기 기본 회로 상위 10개

전압 증폭기 (op amp)는 거의 이상적인 DC 증폭에 필요한 모든 특성을 갖춘 선형 장치로, 신호 처리나 필터링, 더하기, 빼기, 적분, 미분과 같은 수학적 연산 수행에 널리 사용됩니다. 이 기사의 목적은 전자 설계 초보자들을 위한 10가지 기본 회로를 소개하고 엔지니어들의 학문적 기억을 새롭게 하는 것입니다.

1. 전압 팔로어

가장 기본적인 회로는 전압 버퍼로, 외부 구성 요소가 필요하지 않습니다. 전압 출력이 전압 입력과 같기 때문에, 학생들은 이것이 실제로 어떤 응용이 있는지 궁금해할 수 있습니다.

이 회로는 매우 높은 임피던스 입력과 낮은 임피던스 출력을 생성할 수 있게 합니다. 이는 두 구성 요소 사이의 논리 레벨을 인터페이스하거나 전압 분배기를 기반으로 한 전원 공급 장치에서 유용합니다. 아래 그림은 전압 분배기를 기반으로 하고 있으며, 회로는 작동할 수 없습니다. 실제로 부하 임피던스는 큰 변동이 있을 수 있으므로 V_out 전압이 극적으로 변할 수 있으며, 특히 부하 임피던스가 R2와 같은 크기의 값을 가질 때 주로 그렇습니다.

이 문제를 해결하기 위해 부하와 전압 분배기 사이에 증폭기(아래 그림 참조)를 삽입합니다. 따라서 Vout은 부하 값이 아닌 R1과 R2에 따라 달라집니다.

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

2. 반전 연산 증폭기

이 구성에서는 출력이 저항기(R2)를 통해 음극 또는 반전 입력으로 되돌아갑니다. 입력 신호는 저항기(R1)를 통해 이 반전 핀에 적용됩니다.

양극 핀이 그라운드에 연결됩니다.

R1과 R2가 동일한 특별한 경우에 이것이 분명합니다. 이 구성은 출력이 입력 신호와 정확히 반대이므로 입력에 보완적인 신호를 생성할 수 있게 합니다.

음의 부호 때문에 출력 신호와 입력 신호가 위상이 맞지 않습니다. 두 신호가 모두 같은 위상에 있어야 하는 경우, 비반전 증폭기를 사용합니다.

3. 비반전 연산 증폭기

이 구성은 반전 연산 증폭기와 매우 유사합니다. 비반전 증폭기에서는 입력 전압이 직접 비반전 핀에 적용되고, 피드백 루프의 끝이 접지에 연결됩니다.

이 구성은 하나의 신호를 증폭할 수 있게 합니다. 합산 증폭기를 사용하여 여러 신호를 증폭할 수 있습니다.

4. 비반전 가산 증폭기

2개의 전압을 추가하려면, 비반전 연산 증폭기 회로의 양극 핀에 저항기 2개만 추가할 수 있습니다.

여러 전압을 추가하는 것은 매우 유연한 해결책이 아니라는 점을 주목할 가치가 있습니다. 실제로 동일한 저항으로 세 번째 전압이 추가되면 공식은 V_s = 2/3 (V₁ + V₂ + V₃)가 됩니다.

저항을 V_s = V₁ + V₂ + V₃가 되도록 변경해야 하며, 두 번째 옵션은 반전하는 서머 증폭기를 사용하는 것입니다.

5. 반전 가산 증폭기

반전 동작 증폭기 회로의 반전 입력 핀에 저항기를 병렬로 추가하면 모든 전압이 합산됩니다.

비반전 가산 증폭기와 달리, 저항 값을 변경하지 않고도 어떤 수의 전압이든 더할 수 있습니다.

6. 차동 증폭기

반전 연산 증폭기(회로 번호 2 참조)는 반전 핀에 적용된 전압을 증폭하며, 출력 전압은 위상이 반전됩니다. 이 구성에서는 비반전 핀이 접지에 연결됩니다.

위 회로에서 비반전 입력 단자에 전압 분배기를 통해 전압을 적용하여 수정하면 아래와 같이 차동 증폭기가 됩니다.

증폭기는 전압을 더하거나 빼거나 비교할 수 있게 해주기 때문에 유용합니다. 많은 회로가 신호를 수정할 수 있게 해줍니다. 가장 기본적인 것들을 살펴봅시다.

7. 통합자

마이크로컨트롤러의 GPIO를 예로 들어 간단히 전환하면 사각파를 생성하기 매우 쉽습니다. 회로가 삼각파형을 필요로 할 경우, 사각파 신호를 적분하는 것이 좋은 방법입니다. 아래에 표시된 것처럼 연산 증폭기, 반전 피드백 경로의 커패시터, 입력 반전 핀의 저항기를 사용하여 입력 신호를 적분합니다.

포화 문제를 위해 종종 콘덴서에 병렬로 연결된 저항기가 있다는 것을 인지하십시오. 실제로 입력 신호가 아주 낮은 주파수의 사인파라면, 콘덴서는 개방 회로처럼 작용하여 피드백 전압을 차단합니다. 이 경우 증폭기는 매우 높은 개방 루프 이득을 가진 일반적인 개방 루프 증폭기와 같아져 포화 상태에 이릅니다. 콘덴서의 병렬로 연결된 저항 덕분에 회로는 낮은 주파수에서 역증폭기로 작동하여 포화를 방지합니다.

8. 연산 증폭기 미분기

차동기는 콘덴서와 저항기를 교체하여 적분기와 유사하게 작동합니다.

지금까지 제시된 모든 설정입니다.

9. 컨버터 전류 - 전압

광전 검출기는 빛을 전류로 변환합니다. 전류를 전압으로 변환하려면 연산 증폭기, 비반전 단자에 있는 저항을 통한 피드백 루프, 두 입력 핀 사이에 연결된 다이오드가 있는 간단한 회로를 사용하여 광다이오드가 생성하는 전류에 비례하는 출력 전압을 얻을 수 있으며 이는 빛의 특성에 의해 명확히 드러납니다.

위 회로는 기본 공식과 함께 Ohm의 법칙을 적용합니다: 전압은 저항과 전류를 곱한 값과 같습니다. 저항은 옴(Ohm) 단위이며 항상 양수입니다. 하지만 연산 증폭기를 통해 음의 저항도 설계할 수 있습니다!

10. 음성 저항

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

마침내, 연산 증폭기를 사용하는 회로는 입력 신호를 반드시 수정하는 것은 아니지만, 피크 검출 증폭기처럼 이를 기록합니다.

참고: 피크 검출기 연산 증폭기

커패시터는 메모리로 사용됩니다. 비반전 입력의 입력 전압이 반전 입력에 있는 전압, 즉 커패시터의 전압보다 높을 때, 증폭기는 포화 상태에 들어가고 다이오드는 순방향으로 커패시터를 충전합니다. 커패시터가 빠르게 자체 방전하지 않는다고 가정하면, 입력 전압 Ve가 커패시터를 가로지르는 전압보다 낮을 때, 다이오드는 차단됩니다. 따라서 커패시터 덕분에 피크 전압이 기록됩니다.

운영 증폭기를 사용한 더 많은 회로가 있지만, 이 기본적인 10개의 회로를 이해하면 더 복잡한 회로를 쉽게 공부할 수 있습니다.