Ch. 12 Operational Amplifier (OP-AMP)
개요 기호및단자 Symbol Invert Noninvert V- 1 8 NC V+ Output Typical Package
개요 이상적인 OP-Amp Z in = ; A v = ; bandwidth = ; Z out = 0 실제적인 OP-Amp Z in = very high (MΩ); A v = very high (~100,000); Z out = very low (<100 Ω) ) bandwidth = few MHz range V out and I out have limitations
개요 간단한연산증폭기구성 차동증폭기 (differential amplifier): input stage Amplification of the difference voltage between the two inputs 전압증폭단 (voltage amplfier gain stage): second stage Class Cass A amplifier Additional gain More than one voltage amplifier stage 푸쉬- 풀전력증폭기 (push-pull pull power amplifier): output stage
차동증폭기 연산증폭기 : 두개이상의차동증폭단포함 기본동작 회로및기호
차동증폭기 기본동작 가정 : Q1 Q2, R c1 = R c2 Input 1 = Input 2 = 0 V ( 접지 ) V BE = V B - V E = -V E = 0.7 V I E1 V E = -0.7 V I E1 = I E2 = I RE /2 I C1 = I C2 I RE /2 I RE V = E VEE 0.7 V = R E R E V C1 = V C2 = V CC - I C1 R C1 Input 2 = 0 V; Input 1 = V B ( > 0) V I C1 V C1 V E (= V B 0.7) E I E2 Q 2 의 V BE (= 0 V B + 0.7) I C2 I RE V C2 Input 1 = 0 V; Input 2 = V B ( > 0) I C2 V C2 V E (= V B 0.7) Q 1 의 V BE (= 0 V B + 0.7) I C1 V C1 EE
차동증폭기 신호동작모드 단일입력 (single-ended): 한쪽입력, 다른쪽접지
차동증폭기 신호동작모드 차동입력 (differential-ended): 서로다른두개의입력
차동증폭기 신호동작모드 동상모드 동상신호제거 ( common-mode rejection) 잡음 ( 인접도선, 60Hz 전력선 ) 제거
차동증폭기 신호동작모드 동상신호제거비 (Common-mode rejection ratio: CMRR): 원하는신호는증폭 출력 : 높은이득 ( 수천 ) 잡음은동상모드제거 출력 ~ 0 ( 이득 ~0) A ol CMRR = ; or 20log A cm A A ol cm in db ol A ol : 개방루프전압이득 (open-loop voltage gain) 차동증폭기성능결정의중요한기준 CMMR high : good CMMR low: bad - 예제 12-1) A ol = 100,000, 000 A cm = 0.2 CMRR? A CMRR = A CMRR db ol cm 100,000 = 0.2 = 500,000; ( ) = 20 log(500,000) = 114dB = 20log CMRR A ol
차동증폭기 Extra Example) A ol = 2,500, CMRR = 30,000 V in1 = 500μV rms, 잡음 V cm = 1V rms 60 Hz ( CMRR) = 20 log(30000) 89. db CMRR db = 20 log = 5 A cm A = ol CMRR 2500 = = 0.083 30000 V out1 = A ol ( V V ) 2 in1 in = (2500)(500μ 0) =1.25V rms V out1 = = = A ol ( V V 2) in1 in (2500)[500 μ ( 500 μ )] 2.5V rms V out( cm) = A cm V in( cm) = (0.083)(1) ) = 83mV rms
연산증폭기파라미터 입력오프셋전압 (input offset voltage), V OS 이상적인 OP-Amp: V in = 0 V out = 0 실질적인 OP-Amp: V in = 0 V out 0 Why? 공정상의에러 V BE1 V BE2 I C1 I C2 V out 0 BE1 BE2 C1 C2 out 입력오프셋전압 : V in = V OS ( V out = 0)
연산증폭기파라미터 온도의존성 (input offset voltage drift; IOVD) = ΔV OS /1 C ( V BE 온도의존성 ) 대개 5 μv/ C ~ 50 μv/ C 높은 Vos 높은 IOVD 입력바이어스전류 입력전류 : 베이스전류 (I B )
연산증폭기파라미터 입력임피던스 (input impedance) 차동입력임피던스 (differential input impedance): 차동입력변화에따라서변화하는 바이어스전류측정하여결정 동상입력임피던스 (common-mode impedance): 동상입력변화에따라흐르는 바이어스전류변화값측정하여결정
연산증폭기파라미터 출력임피던스 : 출력단에서바라본임피던스 최대출력전압폭 (output voltage swing; V o(p-p) ): 입력단자에신호전압인가하였을때출력에클리핑이나왜곡을초래하지않는입력전압범위대개 ±15 V 직류공급전원 - V o(p-p) = ±13V when R L = 2kΩ - V o(p-p) = ±14V when R L = 10kΩ 개방루프전압이득 (open-loop voltage-gain), A ol No feedback의전압이득대개 50,000~ 200,000 ( 매우높음 )
연산증폭기파라미터 입력오프셋전류 (input offset current), I OS 이상적인경우 : V in1 = V in2 V out = 0 I C1 = I C2 실질적인경우 : V in1 = V in2 V out 0 I C1 I C2 I OS = I 1 I 2 (< I BIAS /10 무시가능 ) V OS = I 1 R in I 2 R in = (I 1 -I 2 )R in = I OS R in V out(error) = A v V OS = A v I OS R in I OS 변화 온도변화 ( 보통온도계수 : 0.5 na/ C )
연산증폭기파라미터 동상신호제거비 CMRR = A A ol cm ; or 20log A A ol cm in db 슬루율 (slew rate) 계단파입력 시간에따른출력전압의최대변화율연산증폭기내부증폭단의고주파응답에의존 Slew rate = Δv out /Δt [V/μs] Δv out = +V max - (-V max ).
연산증폭기파라미터 예제 12-2 non-ideal slew rate? -Δt ; 출력하한 90% 출력상한 90 % Δt = 1 μs - ΔV out = 9 (-9) = 18 V Slew rate = Δv out /Δt = 18/1μ = 18 [V/μs]
연산증폭기파라미터 주파수응답 접합캐패시터스에의해제한 내부결합캐패시터없음 저주파응답 (dc 특성과거의비슷 ) 기타 단락회로보호기능 : 출력단락할때충격으로부터회로를보호 래치업 (latch-up) 방지 : 임의의입력조건하에출력이한가지상태에만머무는것방지입력오프셋널링 (nulling): 입력 = 0 V 일때외부전위차계에의해출력전압을 0V로조정하는것
연산증폭기파라미터 파라미터비교 A ol = 200,000
Datasheet - KA741
Datasheet - KA741 A ol 200,000 000
부귀환 (negative feedback) 개방루프 OP-Amp (open-loop OP Amp) V out = A ol V in 예 ) V in = 1mV, A ol = 100,000 OP-Amp 최대출력전압 V out = A ol V in = (1m)(100,000) = 100 V (> V max ) V out 은 V max 로한정 잡음신호 증폭 매우큰출력신호 불안정화 발진초래
부귀환 (negative feedback) 폐루프 OP-Amp (closed-loop OP-Amp ) 장점 : 1. 전압이득제어 선형증폭 2. 입, 출력임피던스제어 V out gain
부귀환 (negative feedback) 폐루프 OP-Amp (closed-loop OP-Amp )
부귀환연산증폭기구성 비반전증폭기 (Non-inverting amplifier) I + = I - = 0 by reverse-bias I + V - V out = A ol (V in - V f ) V + by negative feedback I - R i V f Vout = BV Ri R + f = out I + = I - = 0 V out = A ol (V in - BV out ) (1+ A ol B) V out = A ol V in By negative feedback V + V - A ol 에무관 전압이득안정 V V out in Aol = 1+ BA V out A cl NI ) = = 1+ Vin B ol 1 ( ( BA ol >>1) NI( 비반전 ) 페루프이득 R R f i
비반전증폭기 예제 12-3 NI( 비반전 ) 페루프이득? A ol 에무관
전압폴로워 (voltage follower) 특징 : V 1 R A out f 1 1 cl( NI ) = = + = V B R 1. 전압이득 ~ 1 < R f = in 0 i 2. 높은입력임피던스 3. 낮은출력임피던스 V out = V in 완충증폭기 (buffer) 로사용
반전증폭기 (inverting amp.) I + = I - = 0 by reverse-bias V + by negative feedback V - Virtual Ground V - V + = 0 : virtual ground I f I in = (V in - V - )/R i = V in/r i I f = (V - - V out )/R f = -V out /R f I I I in = I f in - V in /R i = -V out /R f I + A cl( I ) V = V out in = I( 반전 ) 페루프이득 A ol 에무관 전압이득안정예제 12-6 R f R i
반전증폭기 예제 12-4 I( 비반전 ) 페루프이득 A cl(i) = -100 되기위한 R f? A ol 에무관