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GBW
Gain-BandWidth Product, GBP
어떤 회로에 들어오는 신호 레벨이 높아질수록 신호의 대역폭이 줄어드는 현상
집적도가 낮은 Discrete 회로1)에서는 GBW를 크게 신경 쓰지 않지만 집적도가 높은 Op-amp에서는 GBW를 중요한 스펙의 하나로 판단한다. 집적도가 높아져서 처리하는 신호의 크기가 대역폭에 영향을 끼칠 정도로 작아졌기 때문이다.
| Op-amp | Open Loop Gain | Slew Rate | Unity GBW |
|---|---|---|---|
| 1458 | 200 V/mV (106 dB) | 0.5 V/µs | 1 MHz |
| 4558 | 200 V/mV (106 dB) | 1.6 V/µs | 2.8 MHz |
| TL07x | 200 V/mV (106 dB) | 13 V/µs | 3 MHz |
| LM833 | 316 V/mV (110 dB) | 7 V/µs | 15 MHz |
| NE5532 | 100 V/mV (100dB) | 9 V/µs | 10 MHz |
| NE5534 (CC=0) | 100 V/mV (100 dB) | 13 V/µs | 10 MHz |
| NE5534 (CC=30pF) | 100 V/mV (100 dB) | 6 V/µs | 10 MHz |
| OPAx134 | 1 V/µV (120 dB) | 20 V/µs | 8 MHz |
| OPA1642 | 5 V/µV (134 dB) | 20 V/µs | 11 MHz |
| AD744 | 400 V/mV (122 dB) | 75 V/µs | 13 MHz |
| LM4562 | 10 V/µV (140 dB) | 20 V/µs | 55MHz |
| AD797 | 20 V/µV (146 dB) | 20 V/µs | 110 MHz |
| OPA1612A | 130dB | 27V/μs | 40MHz |
| THAT1583 | 50V/µs | 1.7MHz@40dB gain | |
| THAT1580 | 53V/µs | 40MHz@40dB gain |
고사양의 Op-amp들은 스펙에서와 같이 높은 대역폭을 가지고 있기 때문에, GBW가 문제가 안되는 경우도 많다.
일반적으로 60dB의 증폭은 1000배의 증폭이다. 여기서 만약 Op-amp의 GBW 스펙이 20MHz라고 하면 이 Op-amp로 1000배 증폭을 하게 되면 20MHz/1000= 20KHz로 Op-amp가 처리 가능한 대역폭이 줄어들게 된다. 가청 주파수 영역은 20~20KHz이므로 가청 주파수 대역폭을 온전히 재현하기 위해서는 최대 60dB 증폭을 하는 Op-amp의 Gain-BW 사양은 20MHz가 되어야 충분하다.
실제 장비 예시
Audient ASP880
외국 음악 장비 관련 매거진인 Sound on sound에서는 가끔 프리앰프들의 상세한 스펙 리뷰를 볼 수 있는데
그 중 Audient ASP880에 대한 내용에서
위의 사진은 Audient의 ASP880의 Gain 측정 평가이다.
An expanded frequency response plot which illustrates how the low‑end extension changes with gain. The blue curve is at 0dB gain, with a ‑3dB of 5Hz, while the green curve shows a ‑3dB point of about 18Hz at 60dB of gain. Both are perfectly acceptable, of course, but an interesting observation nonetheless. The high-end response is flat within 0.1dB to well beyond 80kHz at all gain settings for the analogue Outputs. The digital Output response is determined by the sampling rate, of course: the response is ‑6dB at half the sample rate.
API312
API의 312 프리앰프의 경우는
위와 같은 게인 값에 따른 주파수 반응을 볼 수 있는데 특별히 60dB 게인에서는 아래와 같다.
API의 312 프리앰프는 Discrete Op-amp를 사용한 방식으로 유명하다. Discrete Op-amp 방식이기 때문에, GBW가 크게 나타나지 않는다는 특성이 있다.
Tascam 8p dyna
Tascam 8p dyna의 경우, 최소 게인이 -4dB에서 최대 50dB까지 게인이 가능한데, 그중 최소 게인 값에서의 주파수 반응이 파란색 곡선, 최대 게인 값에서의 주파수 반응이 빨간 곡선이다.
Millenia HV-32P, 35P series
BAE 1073 DMP
API 312
The frequency response at 60dB gain shows a gentle roll off above 10kHz, reaching ‑3dB at 35kHz. Pretty good for a 50‑year‑old design full of transformers!
Chandler limited REDD.47
Chandler limited TG2-500
Neve 1073N
The overall frequency responses for a mic input with 50dB gain (green), and line input at 0dB gain (blue). Note the greatly expanded amplitude axis, which exaggerates the 'bass bump' and HF resonance due to the input transformers. The -3dB points are around 6Hz and 75kHz for both, and flat within 0.5dB between 20Hz and 20kHz.
Topping E2x2
Arturia 16RIG
https://www.youtube.com/watch?v=jYND0wZzbas
최대 게인으로 설정해도 20kHz 이상까지 거의 평탄함을 유지하는 하이엔드 마이크 프리앰프
Max Gain
Minimum Gain
프리앰프에만 적용되나?
IC OP-amp가 디스크리트 증폭기에 비해 Gain Bandwidth Product가 더 많이 발생하는 이유
IC(집적회로) OP-amp가 개별 트랜지스터를 사용하는 디스크리트(discrete) 회로에 비해 Gain Bandwidth Product (GBW) 제한이 더 많이 발생하는 주요 이유는 설계 상의 차이, 집적화의 제약, 그리고 주파수 보상 방식에 있습니다. 아래에 그 이유를 더 자세히 설명하겠습니다.
1. 주파수 보상 (Frequency Compensation)
IC OP-amp는 내부적으로 주파수 보상을 사용하여 안정성을 높입니다. 대부분의 IC OP-amp는 다양한 용도에서 안정적으로 작동할 수 있도록 밀러 보상(Miller Compensation)을 적용합니다. 이 보상은 고주파 대역에서 오실레이션을 방지하는 대신, 고주파 응답이 제한되어 GBW가 감소하게 됩니다. 디스크리트 회로는 특정 애플리케이션에 맞게 더 유연하게 설계할 수 있기 때문에 필요에 따라 주파수 보상을 조정하거나 아예 사용하지 않기도 합니다.
2. 공정 기술의 제한 (Process Limitations)
IC OP-amp는 매우 작은 면적에 많은 트랜지스터와 수동 소자를 집적해야 하므로, 개별 트랜지스터의 성능에 제약이 따릅니다. 예를 들어, 개별 디스크리트 트랜지스터는 더 큰 전류를 처리할 수 있고 더 큰 소자를 사용할 수 있기 때문에 높은 전류와 전압에서 더 우수한 성능을 보일 수 있습니다. 반면, IC OP-amp는 크기와 전력 소모를 최적화하기 위해 상대적으로 작은 소자를 사용하므로, 주파수 특성이나 GBW가 더 제한적입니다.
3. 단일 전원 공급 및 낮은 전압 작동
IC OP-amp는 일반적으로 단일 전원 공급이나 낮은 전압에서 작동하도록 설계됩니다. 이 때문에 트랜지스터의 동작 범위와 성능이 제한되어 고주파 특성이 저하될 수 있습니다. 반면, 디스크리트 회로는 높은 전압을 사용할 수 있고, 이를 통해 트랜지스터를 더 높은 성능으로 구동할 수 있어 고주파 성능에서 유리할 수 있습니다.
4. 트랜지스터 특성의 일관성
IC OP-amp의 트랜지스터는 집적 공정에서 매우 작은 크기로 제조되기 때문에, 개별 디스크리트 트랜지스터에 비해 특성이 다소 제한적일 수 있습니다. 특히, fT(트랜지스터의 전파 주파수)가 상대적으로 낮을 수 있으며, 이는 고주파에서 이득을 제한하는 주요 원인이 됩니다. 개별 트랜지스터는 특성이 더 다양하고, 특정 애플리케이션에 최적화된 트랜지스터를 선택할 수 있어 고주파 성능에서 더 나은 결과를 얻을 수 있습니다.
5. 내부 구성 요소의 기생 요소
IC OP-amp는 집적 회로 내에서 발생하는 기생 저항 및 기생 커패시턴스가 더 클 수 있습니다. 이러한 기생 소자는 특히 고주파 대역에서 성능 저하를 일으키며, 고주파 이득이 더 빨리 감소하게 만듭니다. 디스크리트 회로에서는 이러한 기생 요소를 최소화할 수 있는 설계를 적용할 수 있어, 고주파에서 더 우수한 성능을 얻을 수 있습니다.
요약
IC OP-amp에서 Gain Bandwidth Product (GBW)가 더 많이 발생하는 이유는 다음과 같습니다:
반면, 디스크리트 회로는 설계의 유연성과 개별 소자의 성능을 최적화할 수 있어 GBW에서 더 좋은 성능을 발휘할 수 있습니다.