그림 4-1-2의회로는 TLC2274 Op Amp. 로입력신호를 10배증폭하면서, 출력신호의위상이입력신호와 180도차이나는반전증폭기를만들었다. 10배를증폭한다면, Peak To Peak 전압, 즉, Vpp가 100V 인정현파를인가하면, 1,000Vpp 정현파가만들어진다

Size: px

Start display at page:

Download "그림 4-1-2의회로는 TLC2274 Op Amp. 로입력신호를 10배증폭하면서, 출력신호의위상이입력신호와 180도차이나는반전증폭기를만들었다. 10배를증폭한다면, Peak To Peak 전압, 즉, Vpp가 100V 인정현파를인가하면, 1,000Vpp 정현파가만들어진다"

혜상 주
6 years ago
Views:

1 4 장 Op Amp. 사용설명서 4.1 Op Amp. 실제부품의이해와핀설명 그림 4-1 은 TINA 에서사용되고있는이상적인 Op Amp. ( 연산증폭기 ) 와실제 Op Amp. 의핀을보여주고있는데일반적으로이렇게들사용하고있다 Idea Op Amp. + + TLC2274 그림 TINA 에서의 Op Amp. 라이브러리 : 좌측 이상적인 Op Amp. 우측 실제부품 Ideal Op Amp의경우, DC 전원관련핀을생략하고있기에통상세개의핀으로 Op Amp. 를구성한다. 우측의 TLC2274는저전압용 Op Amp. 로만만하게쓰이느제품으로 Texas Instruments 사에서공급한다. 전원공급핀이추가되어핀이총다섯개다. 일반적인경우다. 어떤 Op Amp. 들은단일 Op Amp. 이면서도 7핀이나 9핀까지도가지고있는것들도있다. 이런것들은차츰알아보기로하고우선은 5핀표준부품을가지고설명을시작해보겠다. 먼저 Op Amp. 를이용할때가장많이쓰는증폭회로를살펴보면서핀에담겨있는심오한내용을이해해보도록하자. R1 10k R2 100k Vin + V Vout U1 TLC2274 V+ V1 5 V2 5 V- V- 그림 TLC2274 로꾸민반전증폭기 tms320.co.kr/mcublog.co.kr 페이지 2

그림 4-1-2의회로는 TLC2274 Op Amp. 로입력신호를 10배증폭하면서, 출력신호의위상이입력신호와 180도차이나는반전증폭기를만들었다. 10배를증폭한다면, Peak To Peak 전압, 즉, Vpp가 100V 인정현파를인가하면, 1,000Vpp 정현파가만들어진다. 맞나? 일단은너무큰것같다. 앞서 TLC2274는저전압용 Op Amp.

2 그림 4-1-2의회로는 TLC2274 Op Amp. 로입력신호를 10배증폭하면서, 출력신호의위상이입력신호와 180도차이나는반전증폭기를만들었다. 10배를증폭한다면, Peak To Peak 전압, 즉, Vpp가 100V 인정현파를인가하면, 1,000Vpp 정현파가만들어진다. 맞나? 일단은너무큰것같다. 앞서 TLC2274는저전압용 Op Amp. 라고했는데, 100Vpp와 1000Vpp는너무큰것같다. 눈치빠르신분은그림 회로에서 TLC2274에공급된전원이 +/-5V 이기에출력전압이이범위를벗어날수없음을잘아실것이다. 하지만, Op Amp. 를낯설어하시는분들도계실것이다. 그래서, TLC2274의주요규격부터살펴보았다. TLC2274의제품설명서를구하기위해서 을방문후검색했다. 해당제품페이지를찾아, 상단부를캡쳐하여그림 4-1-3에옮겼다. 그림 TLC2274 제품웹페이지 TLC2274 라는부품명이선두에보이고, 바로아래줄에 (Active) 라는말로현재생산중임을알려주고있다. 이어서 Quad Low-Noise Rail-to-Rail Operational Amplifier 라는문구가보이는데제품의주요특징을압축해서잘알려주고있다. Quad라는말은한패키지에 Op Amp. 가 4개들어있다는얘기다. 그렇다면, 이패키지의총핀수는? Op Amp당 5 개가필요하니, 총 20개가될터인데, 전원핀을공유한다면 14핀이면해결가능하다. 실제 14핀 SOIC, 14핀 TSSOP, 14핀 PDIP, 14핀 SO 패키지등으로공급되고있다. Low Noise 라는말은받아들이기는쉬우나, 정말로얼마만큼 Low Noise인지는판단하기가무척어 tms320.co.kr/mcublog.co.kr 페이지 3

3 렵고그안에녹아든기술또한이해하기가만만찮다. 이절에서는부품을사용하는입장을고려하여 Low Noise 여부를가늠할수있는지표들을설명하도록하겠다. 이어서 Rail-to-Rail 이라는용어가나왔는데, 중요한용어다. 일단은저전압용시스템에적절한전원회로를탑재하여, 낮은전압에서최대한출력신혼진동을보장한방식이라고만이해해두자. 4.3 절에서정밀하게다루고있으니, 조금만기다려주시기바란다. 이어서, 고객들평점과평, 그리고몇몇아이콘이있고, 바로밑에 Datasheet, 즉, 제품설명서가보이면서, 받아보실수있도록링크를걸어놓았다. 제품설명서이름으로는 TLC227x, TLC227xA : Advanced LinCMOS Rail-to-Rail Op Amps (Rev.G) 라고되어있다. 함축적설명이다. 풀이하자면, TLC227x에서 x는계열을의미하는것으로이계열에는 TLC2272와 TLC2274가있다. 2272는한패키지에 Op Amp가 2개있는것을말한다. 이패키지의핀은몇개일까? 그렇다. 전원을공유하다보니 8개이다. Advanced LinCMOS 는 Texas Instruments사가자랑하는아날로그반도체제조공정중에하나를얘기한다. 이어서 Desciprtion 항목이나온다. 여기에서는, 주요특징을몇몇문단에걸쳐설명하는데사실온갖자랑이다. 여기에혹해서는안되고, 정말로제대로된자랑인지는제품설명서를봐야하는데, 주목해야할부분은 CMOS 라는용어다. CMOS는 Complementary Metal Oxide Semiconductor의앞머리글자로한자로옮기는예를보면상보성금속산화물반도체라고하는데필자도이해가어렵다. 갸우뚱! 무엇도한자로옮긴말에는중요한정보하나가누락되어있다. 차라리, CMOS FET(Field Effect Transistor) 로그냥옮겨쓰는것이더나을듯한다. 즉, 이 Op Amp. 는 N형 MOS FET 와 P 형 MOS FET로구성된 FET형 Op Amp. 다. Op Amp는 BJT로구성되기도하고, FET로구성되기도하고 BiCMOS (BJT+CMOS) 로만들어지기도한다. 최초의 Op Amp. 는 BJT로만들어졌고, 최근들어서 CMOS로된 Op Amp. 가널리보급되고있다. 각각의장단점이있는데, 범용으로쓰기에는어떤것을써도큰차이는없다. 반도체회사들이알아서잘만들고있다. 다만, CMOS 공정이 BJT 공정보다상당히간단한편이고, 대부분의디지털회로들이 CMOS 공정으로만들어지기에 Op Amp. 도 CMOS로만들어가는추세다. 일반적으로는, BJT로구현된 Op Amp가 FET로구현된 Op Amp보다전반적으로성능이우수하다는평가이지만, FET로구현된 Op Amp가우세한부분도더러있다. 바로입력임피던스항목이그중하나인데, 왜냐면, FET의경우, 입력단자로쓰이는 Gate단과전류가흐르는 Source -Drain tms320.co.kr/mcublog.co.kr 페이지 4

4 간의채널사이가절연이기때문이다. 실제로 TLC2274의입력임피던스는 10^12 옴 = 100만메가옴 = 1천기가옴 = 1테라옴이다. 무지하게크다. 참고로 Op Amp. 의산조상격인 ua741 Op Amp. 의입력임피던스는 2M 옴에불과하지만, 작은편은아니다. 따라서, 특별한경우가아니라면, CMOS건 BJT건구분없이사용해도된다. 중요한것은 CMOS냐 BJT냐하는것보다는세부규격이다. 단, 4.5절에서설명하는 Loading Effect 때문에큰입력임피던스가필요하다면당연히 CMOS로구현된 Op Amp. 가적합하다. 이어서 Feature 부분이보인다. Op Amp. 선택시먼저이부분을자세히살펴보고숭합을따져본후맞겠다싶으면제품설명서를탐독해야한다. 그림 TLC2274 의주요특징 먼저, Output Swing Includes Both Supply Rails 라는항목이나오는데, 앞서언급한 Railto-Rail 특성을말한다. 4.2절까지보류해두자. 이어서, Low Noise 항목이나온다. 9nV/ Hz 라고수치로명시하고있는데, 감이잘안온다. 일단, 9nV라고하니무지하게작은것같다. 단위가좀특이하다. nv/ Hz 라니? 주로전자부품자체에서발생하는 Noise를알려주는지표이다. 다시보니, 1KHz에서 9nV/ Hz 라고명시하고있다. 이를총칭해서 1/f 노이즈라고도한다. 엄밀히말하면, 1/f 노이즈라고한다. TLC2274 특징에서 tms320.co.kr/mcublog.co.kr 페이지 5

5 는 α = 0.5인경우인데, 이게정수가아니면, fractal 현상을보이기에 fractal noise 라고도한다. α = 1이면 Pink Noise, 혹은 flicker noise 라고도한다. 741 Op Amp는이값이어느정도될까궁금하여찾아보니없다. 인터넷을여기저기뒤져보니100nV/ Hz 수준인듯한데, 확실한비교를위해서 LM2902를찾아봤다. 35nV/ Hz 이다. 확실이 TLC2274가작다. Low Noise 다. 하지만, TLC2274가 LM2902보다 5배넘게비싸다는것은함정. 다음으로, Low Input Bias Current가통상 1pA 라고말한다. 이는 CMOS로구현되었기에가능한수치다. 입력임피던스가 1 테라옴이라서가능한수치다. 이어지는두항목은 Rail-to-Rail 설명할때다루기로하자. High Gain Bandwidth가통상 2.2MHz 라고한다. High Gain Bandwidth라, 이런용어는없다. 아마뒤에말이생략된듯하다. 복구하자면, High Gain-Bandwidth Product일것이다. 실제 Data Sheet를살펴보면, Gain-Bandwidth Product 항목으로 +/-5V 전원으로동작할경우, 2.25MHz 라는값이나온다. 증폭기를다룰때있어서대역폭 (bandwidth) 는어느주파수신호까지를증폭할수있는지를알려주는매우중요한지표로, Gain-Bandwidth Product 항목은증폭비 1배를기준을할때, 2.25MHz까지는 1배증폭이가능하다는얘기다. 2배증폭을원한다면, 대역폭이반으로줄어든다. 10배증폭을원한다면, 225KHz 까지로제한된다. 이게그유명한 Gain- Bandwidth Product Rule 이다. 모든증폭기는이규칙에지배된다. 즉, 이득과대역폭의곱은일정하다라는규칙이다. 앞서말한, 2.25MHz를단일이득대역폭주파수 (Unity gain bandwidth frequency) 라고말한다. 그런데이수치가공급전압에따라변하고, 온도에따라변한다는점명심해야된다. 그래서제품설명서에서는반드시다음과같은그래프가꼭있으니두눈부릅뜨고유심히읽어야한다. tms320.co.kr/mcublog.co.kr 페이지 6

6 그림 TLC2274 의공급전압과온도에따른 Gain-Bandwidth Product 그래프 그림 4-1-5의좌측그래프는공급전압에따른그래프다. 그차이가그렇게크지는않지만, 공급전압이낮을수록, Gain-bandwidth Product 수치는낮아진다는점에주목해주시길바란다. 우측은온도에따른수치다. 2.25MHz 수치는대략 0도에서측정된수치인것이다. 주위온도가 50도정도된다면 2MHz 이하로떨어진다. 광대역신호를다루는경우에는정말로주의해야한다. 75도에서는 1.8MHz 에불과하다는점. 많이들놓치는부분이다. 그래서, 이책에특별히실었다. 다음은, Slew Rate 항. 이항은 Gain-Bandwidth Product 항과밀접한관계가있다. Gain- Bandwidth Product 수치가높을수록 Slew Rate는높다. 단위가의미하듯이, 1usec 동안에출력이통상 3.6V 상승할수있는능력을갖췄다는얘기인데, 요즘은수십V/usec의 Slew Rate을가진 Op Amp. 도수두룩하다. 다음항목으로 Low Input Offset Voltage 라는항목이나와있는데, 25도상온에서 950uV 라고한다. 과연적은값일까? 단위를달리하면, 0.95mV다. 크게느껴진다. Low 라니. 사기 일단 Input Offset Voltage가뭔지부터알아야겠다. Op Amp의두입력단, 즉, +/- 입력단을저항이 0인도선으로연결했다면, 출력은 0 이어야한다. 그런데 0V가아니다. 심각하다. 출력을 0으로만들기위해서별도의 DC tms320.co.kr/mcublog.co.kr 페이지 7

전압을인가해보니출력이 0이되더라고한다면, 추가한전압을 input offset voltage 라고한다. 주된원인은 Op Amp. 입력단에설치된차동증폭기에쓰인트랜지스터가기하학적으로, 도핑농도적으로동일하지않기때문인데, 요즘은정밀제조기술덕에이값이많이줄어들었다. 따라서, 950uV는결코작은값이아니다.

7 전압을인가해보니출력이 0이되더라고한다면, 추가한전압을 input offset voltage 라고한다. 주된원인은 Op Amp. 입력단에설치된차동증폭기에쓰인트랜지스터가기하학적으로, 도핑농도적으로동일하지않기때문인데, 요즘은정밀제조기술덕에이값이많이줄어들었다. 따라서, 950uV는결코작은값이아니다. Texas Instruments사는자사제품군들중에 Input Offset Voltage가 500uV이하인것들을 Low Input Offset Voltage 제품군으로구분하고있다. Texas Instruments사의 OPA4727이라는제품을보면, TLC2274 처럼 CMOS로구현된 4개의 OP Amp를내장하고있다. 가격은 TLC2274에비해 1.8배쯤되지만, Input Offset Voltage가통상 15uV에불과하다. 놀랍지아니한가? 이정도는되어야 Low Offset Input Voltage라고말할수있겠다. OPA 계열이한성능한다. 최근에나온제품일수록 Input Offset Voltage 값이작다. 왜냐면정밀생산기술이발전하고있기때문이다. OPA4727, 기억해둘만한부품이다. 적당한가격에, Gain-Bandwidth Product가 20MHz나되며, 입력임피던스가 0.1테라옴이며저전력이기때문이다. HiFi 오디오에더러쓰이는뛰어난제품이기도하다. 이어서 Macro-model Included라는말은, TINA에서사용할수있는 Spice 라이브러리가제공되고있다는것을의미한다. 다음그림처럼제품페이지우측상단에링크되어있다. 그림 TLC2274 의개발자지원항목 tms320.co.kr/mcublog.co.kr 페이지 8

8 TINA 와같은시뮬레이션프로그램을위한라이브러리가제공되고있으며, 필터디자인 소프트웨어도지원하며, 이 Op Amp. 의성능을직접평가해볼수있는키트류도제공하 고있다는것을알려주고있다. 이어지는항목은 TS27 x나 TLC27x 보다개량된제품이기에이것들말고, TLC227x를사용하세요라는말을전하고있다. 새로나온제품이대체로성능도좋고, 가격도싸다. 따라서, 신제품을열심히찾고골라야한다. 단, 일부회사제품의경우, 제품설명서에나와있는규격과동떨어진성능을보이는경우도있기에주의해야한다. 반드시평가를해보고사용해야한다. 필자가경험한제품과해당회사들을소상히밝히고싶기도한데, 그사이에개선을했었을수도있으니참겠다. 몇번의평가실험을했는지모른다. 분하다. 참고로 Texas Instruments 사제품에는이런경우가없었다. 경험상으로는, 제품설명서에오실로스코프와같은계측기측정화면을직접캡쳐해서제품규격을설명하는경우들이좋은결과를보여주는듯하였다. 자신있다는의미인듯. 참고하시길 마지막은여러가지변형제품들이있음을소개하는문구들이다. 전장품온도규격 (Q Temp.) 을만족하는제품, Op Amp. 전원을차단하는핀이있는제품등이있음을알려주 고있다. 다음편은 4.1 Op Amp. 실제부품의이해와핀설명 4.2 전원공급과전류흐름 4.3 RRIO 4.4 CMRR 과 PSRR 4.5 Loading Effect 와 Op Amp. tms320.co.kr/mcublog.co.kr 페이지 9

9 4.6 Instrumentation Op Amp. 4.7 단전원시스템에서 Op Amp. 사용하기 4.7. Negative Feedback 4.8 Generalized Impedance Converter tms320.co.kr/mcublog.co.kr 페이지 10

(b) 연산증폭기슬루율측정회로 (c) 연산증폭기공통모드제거비측정회로 그림 1.1. 연산증폭기성능파라미터측정회로

(b) 연산증폭기슬루율측정회로 (c) 연산증폭기공통모드제거비측정회로 그림 1.1. 연산증폭기성능파라미터측정회로 Lab. 1. I-V Characteristics of a Diode Lab. 1. 연산증폭기특성실험 1. 실험목표 연산증폭기의전압이득 (Gain), 입력저항, 출력저항, 대역폭 (Bandwidth), 오프셋전압 (Offset Voltage), 공통모드제거비 (Common-mode Rejection Ratio; CMRR) 및슬루율 (Slew Rate) 등의기본적인성능파라미터에대해서실험을통해서이해