전자회로 증폭기 (OP-Amp, 반전 증폭기, 비반전 증폭기, 반전 가산 증폭기, 차동 증폭기)

증폭기는 입력 전압 대비 출력 전압을 크게 만들어 주는 것이다. 여러 증폭기가 있지만 가장 기본인 반전 증폭기와 비반전 증폭기에 대해 알아보자, 두 증폭기의 공통점은 negative feedback(안정성을 유지)을 사용한다. 음의 전압에 들어가는 것이다. 다음으로 반전 증폭기와 비반전 증폭기의 차이는 전압 이득의 부호에 차이로 나뉜다. 반전 증폭기는 전압 이득의 부호가 (-) 음의 부호를 나타내서 반전이라 부르고, 비반전 증폭기는 전압 이득이 (+)양의 부호를 나타내기 때문에 기존 전압과 차이가 없다고 하여 비반전이라 부른다. 그리고 반전 가산 증폭기와 차동 증폭기에 대해 간단히 알아볼까 한다.

각설하고 먼저 증폭기의 기본 원리에 대해 알아보자

 

증폭기 원리

 

 

가장 기본 꼴이다. 입력인 Vs를 가하면 출력으로 Vo가 나온다. Vo는 Rl에 걸리는 전압이다. 차근차근 보면 이해가 된다. 

먼저 Ri에 걸리는 전압은 전압 분배에 따라 나온다. 근데 이때, Ri가 Rs보다 굉장히 크다면 Rs는 무시할 만큼 작아 Vs전압이 대부분 Ri에 걸릴 것이다. 이 전압은 그대로 AVi로 인가된다. 

출력단에 걸리는 전압 또한 위와 마찬가지로 전압 분배에 의해 나온다. 이때도 Rl이 Ro보다 굉장히 크다면 Ro는 무시해도 될 것이다. 이런 식으로 전압을 증폭시킨다. 

 

 

증폭기 모델

 

 

증폭기는 삼각형으로 표시한다. 2개의 입력과 1개의 출력으로 나타낸다. 우리가 궁금한 건 항상 A라는 gain. 즉, 전압 이득이 중요하다. 출력 전압은 입력 전압을 넘어설 수 없다. 조금 더 자세히 보자

 

내부에는 위에서 본 저항과 종속 전압원이 있다. 우린 항상 이상적인 모델을 만들어 놓고 접근한다. 이상적인 증폭기의 조건에는 크게 4가지로 볼 수 있다. 이런 조건을 활용하여, 비반전, 반전 증폭기의 gain을 알 수 있다.

 

 

비반전 증폭기

 

 

비반전 증폭기의 gain을 구하는 방법은 여러 방법이 있다. 그중에 하나로 구하는 방법을 적어봤다. 이상적인 증폭기의 조건에 따라 입력 전압은 동일하다고 본다. 전류 또한 0이라 보기 때문에, 어디선가 들어와야 한다. 그래서 R1의 전류의 방향이 정해진다. R2는 접지와 연결돼 있기 때문에 방향은 자연스럽게 정해진다. 

전류 방향을 보면 Vo가 더 높은 전압인걸 알 수 있다. 그래서 Vo는 Vn과 R1에 걸리는 전압의 합으로 표시된다. 정리하면 전압 이득이 나온다. 1보다 작을 수 없는 전압 이득이다. 

여러 방법이 있는데 찾아보면 재밌다.

 

 

반전 증폭기

 

 

반전 증폭기는 음의 전압에 전원이 달려있다. 이번에도 전류의 흐름으로 전압 이득을 구해보면 전압 이득이 (-) 음수로 나온다. 이래서 반전 증폭기라 부른다. 

 

 

가산 반전 증폭기

 

 

가산이란, 덧셈을 의미한다. 여기에 반전이 붙으니, 부호가 바뀐다는 걸 예측할 수 있다. 굉장히 간단하다. 양의 입력 전압이 접지에 연결돼 있으니 0으로 동일하다고 한다. 전류가 0이니 I1, I2의 합이 Rf에 흐른다는 걸 알 수 있다. 기본적인 옴의 법칙을 사용하여 전류를 구한 뒤, Vo를 구해주면 식이 나온다. 우린 이때, 저항이 모두 다 같다고 하면 반전 가산된 전압을 구할 수 있다.

 

왜 비반전 가산 증폭기는 없냐고 할 수 있는데 반전 가산 증폭기를 이어 붙이면 비반전 가산 증폭기가 된다.

 

 

차동 증폭기

 

 

차동 증폭기는 계산이 복잡하다. 전류는 0으로 동일하다. 전류의 흐름을 이용하여 구한다. 전류는 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르니 부호를 신경 쓰면 식 세우는데 문제없다.