[Harman 세미콘 아카데미] 34일차 - PSpice(OPAMP의 개념 및 활용)

[OPAMP의 개요]

 

OPAMP란?

 

물리적인 설계나 회로에 국한된 내용은 아니지만,

OPAmp(Operational Amplifier, 오퍼레이션 앰프)는 전자 회로에서 매우 중요한 기능을 수행하는 기기로서

다양한 응용 분야에서 사용된다. 주로 증폭기, 필터, 샘플 및 홀드 회로, 비교 회로 등에서 사용되며

아날로그 회로의 핵심 구성 요소 중 하나로 간주된다.

 

OPAmp는 입력단과 출력단, 그리고 전압 공급 단자로 구성된다.

두 개의 입력단은 입력(+)과 반전 입력(-)으로 불리며, 이들 사이의 전압 차이로 작동하고

출력은 입력들의 차이를 증폭한 전압이 나오게 된다. 일반적으로 OPAmp의 개방 루프 증폭

(AOL : Open-Loop Gain)은 매우 크기 때문에 거의 무한대로 간주된다.

 

이로 인해 일반적으로 OPAmp를 개방 루프에서 사용하지 않고, 피드백 회로를 통해

개방 루푸 증폭을 제한하여 일정한 작동 상태를 유지하는 방식으로 사용한다.

이러한 피드백을 통해 OPAmp는 안정적이고 예측 가능한 동작을 하게 된다.

 

 

OPAMP의 기능

 

OPAmp는 다양한 응용 분야에서 사용되며, 주요 기능은 다음과 같다.

 

1. 증폭기(Amplifier)

    : 작은 입력 신호를 크게 증폭하여 출력으로 내보낸다.

      일반적으로 연산 증폭기(Operational Amplifier Inverting/Non-Inverting Amplifiers)로 사용된다.

 

2. 필터(Filter)

    : 특정 주파수 대역의 신호를 통과시키거나 차단하여 주파수를 변형시키는 필터 회로를 구성한다.

 

3. 비교기(Comparator)

    : 두 개의 입력을 비교하여 크기에 따라 출력을 결정하며,

      비교기는 디지털 논리 회로에서 사용되는 입력 신호 비교 등의 용도로 사용된다.

 

4. 샘플 및 홀드 회로(Sample and Hold Circuit)

    : 입력 신호를 특정 시간동안 샘플링하여 유지하는 역할을 수행한다.

 

5. 미분기(Differentiator)

    : 입력 신호의 미분값을 출력한다.

 

6. 적분기(Integrator)

    : 입력 신호를 적분하여 출력한다.

 

7. 발생기(Oscillator)

    : 특정 주파수의 사인파나 사각파 등을 생성한다.

 

 

OPAMP의 기본 성질

 

 

1. 무한대 개방 루프 증폭(AOL : Open-Loop Gain)

    : OPAMP는 개방 루프 상태에서 입력과 출력 사이의 전압 증폭을 나타내는 개방 루프 증폭을 가지고,

      이 값은 매우 크기 때문에 일반적으로 무한대로 간주하며 이로 인해 OPAMP는 높은 증폭 기능을 가진다.

 

2. 무한대 입력 임피던스(Zin)

   : OPAMP의 입력 임피던스는 매우 큰 것으로 가정되고 이는 OPAMP가 입력 신호에 대해 

     매우 높은 저항을 가지므로, 외부 회로에 거의 영향을 미치지 않고 입력 신호를 받을 수 있다.

 

3. Zero 출력 임피던스(Zout)

    : OPAMP의 출력 임피던스는 매우 낮다고 가정되고 이는 OPAMP 출력이 외부 회로에 대해

      낮은 저항을 가지므로, 다른 회로로의 연결에 있어 신호 손실이 거의 없음을 의미한다.

 

4. Input Offset Voltage

    : 실제 OPAMP는 완벽하지 않으며, 입력 단자 사이에 약간의 오프셋 전압 차이가 발생한다.

      이러한 차이를 입력 오프셋 전압이라 하며, 이 값은 가능한 작게 유지해야 한다.

 

5. High-Frequency Inefficiency(고주파 무응답성)

    : OPAMP의 개방 루프 증폭은 낮은 주파수 대역에서는 무한대에 가깝지만,

      높은 주파수에서는 감소한다. 이로 인해 고주파 신호에 대해서는

      증폭 기능이 미비해질 수 있다.

 

6. Common-Mode Voltage Range(동작 범위)

    : OPAMP는 입력 신호가 특정 범위 내에 있을 때 올바르게 작동한다.

      이 범위를 동작 범위라 하며, 일반적으로 전압 공급 범위 내에서 동작한다.

 

7. 피드백 기능의 중요성

    : 실제로 OPAMP는 개방 루프 상태에서 사용되지 않는다.

      대신 피드백 회로를 통해 개방 루프 증폭을 제어하고 안정적인 동작을 유지한다.

      피드백은 OPAMP의 기능을 정의하고 설계자가 원하는 동작을 구현하는 데

      중요한 역할을 한다.

     - Feedback 회로 존재

        : 피드백되는 순간, OPAMP (+)입력과 (-)입력의 전위가 동일해지고,

          이때 gain = 1+R2/R1 또는 -R2/R1 이 된다.

     - Feedback 회로 없음

         : OPAMP의 (+)입력, (-)입력의 전위차만큼 증폭된다.

 

 

OPAMP의 동작 방정식

 

OPAMP는 입력 전압의 차이를 증폭해주는 소자로,

OPAMP의 전압 이득(Open-loop Gain)을 Av라 하면,

Vout = Av * ((V+) - (V-)) 가 되고

여기서 V+ : 비반전 입력 전압, V- : 반전 입력 전압을 의미한다.

 

이 동작 방정식은 OPAMP가 입력 전압의 차이를 증폭하여 출력으로 내보내는 기능을 나타낸다.

개방 루프 증폭 Av는 매우 큰 값이므로,(보통 100,000 이상으로 가정된다.)

작인 입력 전압 파이도 크게 증폭되어 출력된다.

 

 

Offset(중첩)

 

OPAMP에서의 Offset은 입력 신호가 없을 때에도 출력이 0이 되지 않고 약간의 전압을 가지는 현상을 말한다.

이러한 현상은 OPAMP 내부의 미세한 불일치나 불균형, 제조 과정에서의 변동 등으로 인해 발생할 수 있다.

 

일반적으로 OPAMP는 완벽하지 않기 때문에 입력 단자 사이에 작은 전압 차이가 발생할 수 있고,

이 작은 전압 차이가 Offset이다. 이 Offset으로 인해 OPAMP는 입력 신호가 0일 때에도 출력이 영점(Zero)에서

멀리 떨어져 있을 수 있다.

 

Input Offset Voltage는 OPAMP의 중첩을 나타내는 중요한 파라미터이다.

이 값은 일반적으로 [mV] 단위로 표현되고, OPAMP의 입력 단자 사이에 발생하는 미세한 전압 차의를 의미하며

일반적으로 Input Offset Voltage는 최대한 작아야 하며, 설계자는 이 값을 최소화하여 정확한 증폭과

선형성을 유지하도록 노력해야 한다.

 

만약 Input Offset Voltage를 고려하지 않으면,

입력이 0V인 경우에도 출력이 0이 되지 않고, 입력이 약간만 차이나도 출력이 영점에서 벗어나게 된다.

이러한 Offset은 정밀한 측정이나 제이 시스템에서 문제를 일으킬 수 있으므로,

정밀한 애플리케이션에서는 Offset을 최소화하고 보상하기 위한 회로를 추가하여

정확도를 향상시키는 것이 중요하다. 

 

 

Bandwidth

 

 

OPAMP에서의 Bandwidth는

OPAMP가 입력 신호를 증폭하는 능력이 주파수에 따라 어떻게 변화하는지를 나타내는 지표이다.

 

OPAMP의 AOL(Open-loop Gain, 개방 루프 증폭)은 주로 낮은 주파수에서 매우 큰 값을 가지고 있으며,

이를 GBW(Product of Gain and Bandwidth, 단위 이득 대역폭)라고 표현한다.

즉, OPAMP의 AOL과 Bandwidth의 곱은 상수 값으로서 일정하다.

 

예를 들어,

OPAMP의 AOL(=Av)이 100,000이고 Bandwidth 가 1MHz 라면,

GBW는 100,000 x 1,000,000 = 100,000,000 이 된다.

이 값은 OPAMP 내부적인 고유한 특성으로, 보통 데이터시트에서 제공된다.

 

피드백 회로를 통해 OPAMP를 안정화하고 원하는 증폭 기능을 제어할 수 있다.

피드백 회로를 적절하게 구성하여 OPAMP의 개방 루프 증폭을 감소시키면서

원하는 Bandwidth를 설정할 수 있다.

 

Bandwidth가 중요한 이유는 OPAMP를 사용할 때 주파수 응답을 고려해야 하는 응용 분야가 많기 때문이다.

특히 고주파 신호를 처리해야 하는 경우에는 Bandtwidth가 충분해야 하며,

그렇지 않으면 신호의 왜곡이 발생할 수 있다. 따라서 OPAMP를 선택할 때

Bandwidth와 응용 분야의 주파수 요구 사항을 고려하여 적절한 OPAMP를 선택하는 것이 중요하다.

 

 

[OPAMP 활용]

 

OPAMP 내부 회로도

OPAMP 내부 회로도

OPAMP의 AOL은 높은 주파수에서 감소한다.

 

TSMC의 OPAMP

 

 

※ 위 회로에서는 PMOS, NMOS의 파라미터에 아래 파일 적용할 것.

TC407N_NMOS.txt

0.00MB

TC407P_PMOS.txt

0.00MB

 

R = 1k

R = 10k

R = 100k

Unity gain의 band-width를 봐야 하며,(GBW)

R값이 커질수록 gain은 커지지만, band-width(증폭 가능한 주파수 범위 = Cover 주파수)가 줄어든다.

 

gm = Id / Vt = △Id / △Vgs

gain = gm x Rd

= 1 + R₂ / R₁ = Vout / Vin

 

 

Inverting Amplifier

 

좌측 Amp의 경우, 출력이 반전된다.(In_V)

우측 OPAmp 경우, 출력이 저항값이 커짐에 따라 증폭된다.(NON)

 

 

Out_1 : 반전                /                 Out_2 : 비반전 증폭

OPAMP의 신호 입력단(+, -) 및 출력 단 모두 REF(½Vcc)가 되어야 하며,

C2와 C3는직류 분리, 신호 통과용의 AC Coupling Cap이다.

 

 

Active Filter(Low/High pass filter)

 

 

Band Pass filter

 

Band pass filter는 High pass 기능과 Low pass 기능이 합쳐진 filter로

특정 대역의 주파수를 통과시키는 기능을 가진다.

 

위와 같은 기능은 다양한 응용 분야에서 사용되며,

라디오 수신기에서 원하는 라디오 주파수 대역을 통과시키기 위해,

음악의 재생 장비에서 특정 주파수 대역의 음성 또는 악기 소리를 강화하기 위해

바이오 메디컬 분야에서 EEG, ECG와 같은 생체 신호 처리 등에 사용되는 유용한 필터 중 하나이다.

 

 

 

Filter complex

VdB

Voltage

 

2-Output type

 

 

 

NCS2202는 일반적인 비교기와 동일한 Open Drain 방식이므로 출력단에 Pull-up 저항을 적용해야 하며,

NCS2200은 CMOS로 구성된 Complementary 방식이므로 출력단에 Pull-down 저항을 구성한다.

NCS 시리즈는 subckt model(Subcircuit model)의 Pin 순서가 다르다.

 

Open Drain type은 다음 단 Interface에 유리하나,

Complementary type은 비교기 IC의 공급 전압과 출력 전압이 동일하므로

이에 대한 고려가 필요하다.