PROJECT 3. OP AMP 소자 활용하기

OP AMP 란?

OP AMP는 현재 회로에서 가장 자주 쓰이는 증폭 회로로서 매우 다양한 역할을 수행하는 IC 칩이다. OP AMP는 말 그대로 Operation(연산) 과 amplification(증폭)의 합성어로 숫자를 더하거나 빼고 심지어 미분 적분하는 역할부터 매우 작은 신호를 트렌지스터 같이 증폭시키는 역할을 수행한다. 

연산증폭기는 다양한 종류의 전자 회로에서 중요한 구성 요소(building block)이다. 연산증폭기는 그 기원이 선형, 비선형, 주파수 의존 회로에 쓰이던 아날로그 컴퓨터에 있다. 이득과 같은 최종 요소의 특성이, 온도 변화와 op-amp 자체의 불균일한 제조상태에 거의 의존하지 않고, 외부 부품(component)에 의해서 설정되기 때문에 회로 설계에서 인기가 있다.

연산증폭기는 오늘날 가장 널리 쓰이는 전자 부품 중의 하나이며, 소비자 디바이스, 산업용 디바이스, 공학용 디바이스로 다양하게 쓰이고 있다. 많은 표준적인 IC 연산증폭기의 가격은 일반적인 생산품에서는 몇 센트 수준이다. 그러나 특별한 기능을 가진 집적화된 연산증폭기, 또는 하이브리드 연산증폭기는 소량 주문시 100 달러(미국) 이상의 수준이다. 연산증폭기는 단일 부품으로서 패키지되기도 하고, 복잡한 집적회로의 요소로서 쓰이기도 한다.

위키백과 / https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%97%B0%EC%82%B0_%EC%A6%9D%ED%8F%AD%EA%B8%B0

 

일반적인 OP AMP는 다음과 같이 8pin으로 구성된 경우가 많고 경우에 따라 12pin, 5pin 또한 존재한다. 보통 아래의그림처럼 생겼으며 각 칩마다 핀 구성이 다른경우가 많아 조심해야 한다. 요즘에는 소형 기판용 SMD칩으로 제공되는 경우가 많아서 용도에 따라 잘 선택하길 바란다.

이번 실험에 사용될 OP07CP (National Semiconductor에서 생산한 모델)

 

OP AMP 원리 

OP AMP의 가장 특징적인 능력은 작은 전압을 높은 전압으로 증폭시킬 수 있다는 점이다. 트렌지스터도 마찬가지로 증폭의 역할을 수행할 수 있으며 이는 트렌지스터의 매우 효과적인 특징이지만 여러 단점을 가진다.

 

1. 트렌지스터는 소자 하나로는 증폭의 비를 조절할 수 없으며

 

2. 증폭이 되는 전압이 선형적으로 증가하지 않는다

 

OP AMP는 이러한 트렌지스터의 증폭 단점을 보완한 이상적인 수준에 가까운 증폭기라고 이해하면 된다. OP AMP는 입력전압에 따라 선형적으로 증폭되어 전압이 나오며 거의 이상적인 수준으로 전압이 얻어지는 특징을 가진다. 즉 100배 증폭되는 전압을 설정한다면 0.01V가 1V가 되어 나오며 전압이 0.05V가 되더라도 그대로 100배 증폭되어 5V가 된다는 것이다. 

 

OP AMP가 가지는 증폭기로서 유리한 특징은 INPUT 회로의 값을 높은 임피던스로 받아 출력시에는 낮은 임피던스로 반환한다는 것이다. OP AMP의 회로 내로 전류가 통과할 수 없고 두 핀 사이에 전압차만 상쇄하려는 성질은 센서에서 입력된 매우 약한 신호가 높은 전압과 전류로 반환될 수 있게 한다.

 

이런 OP AMP의 특징은 상당히 많은 회로에 유용하게 사용될 수 있으며 실제로도 많은 분야에서 사용되고 있다. 단순한 증폭의 측면이 아니더라도 연산기, noise 필터, frequency 필터 등에 사용되고 있기에 공부해 보는 것을 추천한다. 

 

OP AMP 실제 실험해보기

다음과 같이 회로를 구성했으며 입력전압은 12V를 둘로 나눠 +6, GND, -6를 생성하였다. 이렇게 전압을 나누는 이유는 OP AMP 회로에서의 GND는 단순히 -12V가 되는 지점이 아니기 때문이다.

회로부를 자세히 들여다 보면 다음과 같다. 입력 전압을 V in 이라고 할 때 나오는 전압을 V out이라고 하자 OP AMP가 정상적으로 작동하면 In+, In-의 전압은 항상 동일하고 input으로는 전류가 흐를 수 없다는 것을 명심하고 있으면 된다.

OP AMP 내부로 전류가 흐를 수 없으니 전류는 그대로 회로를 타고 Vout으로 나간다. 그러므로 저항 1과 2를 지나는 전류는 동일하다. 

위에 A로 표시된 교차지점을 중심으로 저항에 의한 전압강하를 고려하면 A지점과 Vin, Vout간의 차이를 통해 식을 세울 수 있다. i가 같으므로 이를 가감하여 계산하면 Vout은 Vin의 전압에 -R2/R1를 곱한 값으로 나온다.

 

즉 저항 1번과 2번가 몇배 차이나는지가 바로 전압의 증폭되는 정도인 것이다. 지금 저항1이 100k 이고 저항2가 200k이므로 전압은 입력에 비해 2배가 될 것이다.

 Vin로 = 1.633V를 연결한 후 Vout을 측정해보면 -3.32V로 우리의 계산과 맞는 -2배 증폭된 결과이다.