4.3 Rail to Rail Input Output(RRIO) 방식의장점 최근들어, 저전압용으로개발되는 Op Amp. 는거의다 RRIO 방식을채택하고있는데, 이 RRIO 방식을단순히출력진동폭을최대화할수있는구조라는정도로받아들이고넘어가기에는좀찝찝해서이절을준비했다. 왜그런지를이해하기위해서는트랜지스터수준에서의회로설명이필요한데, 트랜지스터에관한설명은최대한억제한채, 최대한이해하기쉽도록각고의노력을기울여서설명하였으니찬찬히읽어봐주시기바란다. 일단, LM2902 처럼 RRIO 방식이아닌일반적인 Op Amp 의입력단회로를간략히그려서그림 4-3-1 에다가올려두었다. 모든 Op Amp. 에는 Voltage Rail 있다. 보이는가? 그림상단에 +DC 전원공급단 가보이고, 하단부에는 DC 전원공급단 Vs 가보인다. 이게 Op Amp. 전체회로에공급되는전원이기에전체회로도를그리면마치기차레일처럼길게늘어진다. 그래서 Rail 이다. 그렇다면, Rail-to-Rail 은무슨말인가? LM2902 에도 Voltage Rail 있는데, RRIO 방식이아니라고? 궁금해요? 궁금하시면, 계속읽어나가보자. 그런데, 상단부전원단바로아래에는전류원 Is 가보이고, 하단부에는전류원은없고부하저항 RL1 과 RL2 만보인다. 예를들어, RL1 이나 RL2 에전류가거의흐르지않으면, RL1 과 RL2 에서전압강하가거의없기에 Vo1 이나 Vo2 는 Vs 가된다. 즉, Vo1 이나 Vo2 가 down to the bottom voltage rail 가된다. 반대로전류가많이흐르는경우를고려해보자. 전류가많이흐르면, RL1 이나 RL2 에전압강하가많이발생한다. 흐르는전류를각각 I1 과 I2 라고한다면, Vo1 은 Vs + I1RL1 이된다. 이값이아무리커진다고한들 미치질못한다. 왜냐면 과 에서전압강하가발생하고, 전류원 Is 에서도전압강하가발생하기때문이다. 이런구조로인해서그림 4-2-4 의좌측에서보듯이 Op Amp. 출력신호상반구에서심한왜곡을보이는것이다. 비 RRIO 구조의출력특성이다. tms320.co.kr/mcublog.co.kr 페이지 15
IS Rail + Rs1 Vin Rs2 Vo2 Vo1 그림 4-3-1 LM2902 의입력단구조 다음은 RRI(Rail-to-Rail Input) 구조이다. 구조가조금복잡하지만전부다이해할필요는 없다. RRI 방식을이해하는데도움이될만한부분이있어서그려본것뿐이다. Is Vin Rs1 Rs2 Q3 Q4 + RL1 RL2 RE3 RE4 RC1 IS1 RC2 그림 4-3-2 RRI 구조 tms320.co.kr/mcublog.co.kr 페이지 16
그림 4-3-2 에서 Q,1 ~ Q4 는트랜지스터이다. 트랜지스터그림에서화살표가그려진단자를에미터 (Emitter) 라고한다. Q3 와 Q4 에미터에는 RE3 와 RE4 저항이달려있다. 그런데, 전류원 Is 의상부측이 RE3 및 RE4 의상부측과똑같이 에묶여있기에트랜지스터의에미터전압이 까지상승할수있다. 오호라, 전류원에의한전압상승제한폭이사라진구조구나하는것을알수있다. RC1 과 RC2 가달려있는트랜지스터의단자는컬렉터 (Collector) 라한다. 나머지단자를베이스 (Base) 라고하는데, 베이스에입력된전류가증폭이되어서, 에미터와컬렉터사이에흐른다. 이구조가좌우로도대칭이지만아래위로도대칭이다. 왠지, TLC2274 의출력신호가대칭인이유가여기에있는것도같다. ( 사실은출력회로까지상하로 대칭이어야하는데, 어쨌든냄새가좀난다.) 그림 4-3-2 회로역시출력신호는 컬렉터에서취하고있다. 출력신호가위쪽으로커질때면, 오로지트랜지스터에서발생하는전압강하 ( 에미터와컬렉터사이의전압 ) 에의해서만제한을받는다. IS 에의한영향은사라졌기에, 진동 (Swing) 폭이좀더늘었다. 이는 RRI(Rail-to-Rail Input) 방식의장점으로비 RRI 방식에비해입력신호를좀더크게받아들일수있다. 다시말해, Op Amp. 의입력신호를작게만들필요가줄어든다는얘기다. 출력의경우는입력과상황이조금다르다. 트랜지스터에의한전압강하때문에진정한 RRO 방식을만들기는어렵기에, RRO 방식이든아니든최대한진동폭을키우기위해나름대로많은얘를쓰고있다. 이중에서널리쓰이는두가지방식을비교해보도록하겠다. tms320.co.kr/mcublog.co.kr 페이지 17
IS1 R2 D1 R1 Vout Vout D2 IS2 그림 4-3-3 Op Amp. 출력단비교 그림 4-3-3 의좌측회로는아주널리쓰이는 Class AB 급증폭기, 즉, Push-Pull 방식증폭기로 Op Amp. 출력단에널리쓰이는대표적인회로이다. HiFi 오디오에도많이채용되는방식이며, LM2902 도채택한방식이다. 이방식의장점은출력임피던스를매우작게만들수있다는점이다. 단점은출력신호의진동폭이트랜지스터 ( 과 ) 와저항 (R1, R2) 에의해제한되어그다지넓지못하다라는점이다. 이걸극복한것이우측회로인데, 트랜지스터의극성이좌측과다르다라는점에주의해야한다. 이방식은출력스윙폭을극대화할수는있지만출력임피던스 ( BJT 의경우 r r ) 가그다지적지않다는단점이있다. 또다른단점으로는출력전류가점점높아지면트랜지스터의컬렉터와에미터사이전압도점점커져서출력신호진동의궁극목표인 Rail-to-Rail, 즉, V+ 에서 V-까지의스윙에서멀어진다. TLC2274 는 FET 로구현된 Op Amp 이기에출력단역시 FET 로구현되어있다. 그림 4-3-3 우측회로에서상단트랜지스터가 PMOS(Positive Metal Oxide) 트랜지스터이고하단트랜지스터가 NMOS(Negative) 트랜지스터로구현되어있다. 이경우가좀더 RR 스럽다. 왜냐면, MOS 트랜지스터의채널저항을 BJT 의출력저항보다훨씬작게만들수있기때문이다. 이것역시출력전류가 tms320.co.kr/mcublog.co.kr 페이지 18
shv 아지면채널간전압강하도커지기에 Rail-to-Rail 의목표에서벗어난다. 하지만, 현재까지는이방식이가장 RR 스럽다. RRIO 방식이현재까지는최대의출력신호진동폭을보여주기에특히저전압시스템에서는 RRIO 방식을채택한 Op Amp. 가사실상필수선택이다. 그렇지않을경우, 신호의진동폭이제한되어버려서비싼돈주고고른 ADC 등에서분해능손실을톡톡히치르게된다. RRIO, 꼭명심하자. 마지막으로다음그림을보고, RRIO 방식이해를마무리짓도록하자. 그림 4-2-1 의회로와동일한회로를꾸며놓고, V+ 에는 3.3V 를걸고, V-에는 0V 를걸었다. - 입력단에는 0.165Vp, 1KHz 정현파를인가하였다. + 입력단에는적절한 DC 오프셋전압을인가하여, 출력신호가 1.65V 를기준으로진동하도록만들었다. DC offset 을인가하는방법은 4.8 절에서자세히다루니지금은단순히잘인가했구나라고생각하자. 그림 4-2-1 회로의증폭비는 10 배이다. 이상적인 Op Amp 라면, 1.65V 를중심으로 1.65Vp 의정현파가출력되어야한다. 다음그림을잘보자. 좌측이 LM2902 출력이고, 우측이 TLC2274 의출력이다. 그림 4-3-4 LM2902 와 TLC2274 의출력비교 먼저, 그림 4-3-4 의좌측파형은 LM2902 에채취한것인데, 최대및최소치가 각각 2.31V 와 0.07V 이다. 중심이 1.65V 이다보니, 상향으로는 1V 를상승하지못하는 부실한출력을보여주지만, 하향으로는 0.07V 까지내려올수있기에좋은결과를 보여준다. 하반구신호만사용해도충분한시스템이라면 LM2902 가상당히좋은성능을 tms320.co.kr/mcublog.co.kr 페이지 19
유도할수있겠다. 그림 4-3-4 의우측은 TLC2274 의출력으로, 비록아래위가좀뭉그러졌기는하지만, 1.65V 기준으로아래위대칭적으로잘진동하는것을볼수있으며, 좌측과확연히비교가된다. 최대및최소치는각각 3.13V 와 0.17V 다. 1.65V 를중심으로거의 +/-1.5V 를진동할수있기에, 3.3V 단일전원시스템에서는거의최고수준의진동폭을보여준다고할수있겠다. LM2902 의진동폭은 2.24V(=2.31-0.07) 이고, TLC2274 의진동폭은 2.96V 이다. 만약, 0~3.3V 의입력범위를가지는 16 비트 ADC 를 LM2902 로구동을한다면, 입력범위의 67.9% 밖에사용하질못한다. 비싼돈주고산 ADC 가제역할을하지못하는경우다. TLC2274 의경우는약 89.7% 를사용한다. 그나마값도좀저렴하고해서 3.3V 저전압단일전원용으로 TLC2274 가많이쓰이고있는것이다. 그림 4-3-4 은 RRIO 방식과비 RRIO 방식을비교해주는적절한사례라고하겠다. tms320.co.kr/mcublog.co.kr 페이지 20