Operatioanl Amplifier

OP-amp(Operational Amplifier)는 전자 회로에서 신호를 증폭하는 목적으로 사용되는 고이득 전압 증폭기입니다. 주로 증폭, 필터링, 신호 처리 등에 활용되며, 입력 전압과 출력 전압 간의 관계를 제어하는 다양한 회로 설계에 사용됩니다. OP-amp는 이상적인 조건에서는 무한대의 이득을 가지며, 매우 넓은 범위에서 신호를 정확하게 증폭할 수 있는 특성을 지닙니다.

OP-amp를 통해 증폭회로를 설계할 때 설계 방식에 의해 크게 차동 입력(Differential input signal)을 이용한 OP-amp와 단동 입력(Single ended input signal)을 이용한 OP-amp로 나누어진다.

Single ended input OP-amp 단동형 연산 증폭기는 하나의 입력 신호만을 증폭합니다. 즉, 입력 신호가 하나만 존재하며, 그 신호를 기준으로 증폭합니다.

장점:

• 단순성: 회로 구성이 간단하여 설계 및 구현이 용이합니다.
• 비용 효율성: 단동형 회로는 부품 수가 적고, 따라서 비용이 저렴합니다.
• 응용 범위: 일반적인 신호 증폭 애플리케이션에서 많이 사용됩니다.

단점:

• 잡음: 입력 신호의 잡음이 증폭될 수 있으며, 노이즈 면에서 차동형에 비해 성능이 떨어질 수 있습니다.
• CMRR(공통 모드 제거비): 공통 모드 잡음을 제거하는 능력이 차동형에 비해 낮습니다.
• 신호 왜곡: 단일 입력 신호의 왜곡이 증폭되어 출력에 영향을 줄 수 있습니다.

Differential input OP-amp

차동형 연산 증폭기는 두 개의 입력 신호를 받아 그 차이를 증폭합니다. 즉, 두 입력 신호의 차이를 증폭하여 출력합니다.

장점:

• 잡음 제거: 두 입력 신호의 차이만 증폭하므로, 공통 모드 잡음(Common-mode noise)을 효과적으로 제거할 수 있습니다.
• CMRR(공통 모드 제거비): 공통 모드 신호에 대한 제거비가 높아, 외부 잡음에 강합니다.
• 정확성: 신호의 차이만을 증폭하므로, 더 정확한 신호 증폭이 가능합니다.

단점:

• 복잡성: 회로 구성이 단동형보다 복잡하며, 설계가 더 까다로울 수 있습니다.
• 비용: 필요한 부품 수가 많고, 따라서 비용이 높을 수 있습니다.
• 발진 가능성: 설계나 구현이 잘못될 경우 발진 등의 문제가 발생할 수 있습니다.

Fully differential OP-amp

Fully Differential 연산 증폭기는 차동형 증폭기의 확장된 형태로, 두 개의 입력뿐만 아니라 두 개의 출력도 제공하는 증폭기입니다. 이는 차동형 증폭기와 유사하지만, 출력도 차동형 신호로 제공되어, 신호의 전송과 처리에서 더 많은 유연성과 성능 향상을 제공합니다.

장점:

• 높은 CMRR (Common-Mode Rejection Ratio): 공통 모드 잡음에 대한 제거 능력이 뛰어나므로, 외부 잡음에 매우 강합니다. 이는 신호의 정확도를 높이는 데 매우 유용합니다.
• 신호 무결성: 두 개의 차동 출력이 제공되므로, 신호 전송 시 신호 무결성을 유지할 수 있습니다. 이는 긴 거리의 신호 전송에서도 신호 품질을 유지하는 데 유리합니다.
• 잡음 내성: 차동 출력이므로, 출력에서의 잡음 저항이 뛰어나며, 특히 전자기 간섭(EMI)에 대한 내성이 큽니다.
• 대칭 신호 처리: 대칭적인 신호 처리가 가능하여 왜곡이 적고, 고속 신호 처리에 적합합니다.

단점:

• 복잡성: 회로 구성이 매우 복잡하며, 설계가 까다롭습니다. 설계자가 각별히 신경 써야 할 부분이 많습니다.
• 비용: 부품 수가 많고, 따라서 비용이 높습니다. 또한, PCB 설계 시 더 많은 공간이 필요할 수 있습니다.
• 발진 가능성: 적절한 보상이 이루어지지 않을 경우 발진할 가능성이 있습니다. 이는 특히 고주파 응용에서 문제가 될 수 있습니다.

OP-amp(연산 증폭기)는 VFA(Voltage Feedback Amplifier)와 CFA(Current Feedback Amplifier)의 두 가지 주요 구조로 나뉘며, 이들은 각각의 피드백 메커니즘과 특성에 따라 다릅니다. 이 두 구조의 차이점과 장단점을 아래에 정리하였습니다.

VFA는 전압 피드백 방식의 증폭기로, 출력 전압의 변화를 입력단에서 전압으로 피드백 받는 구조입니다. 전통적인 OP-amp의 설계 방식이며, 가장 널리 사용됩니다.

• 출력 전압의 변화를 감지하여 그 정보를 전압 형태로 반전 입력(-)으로 피드백합니다.
• 이 과정에서 입력 신호와 피드백 신호 간의 전압 차이를 증폭하여 원하는 출력 전압을 형성합니다.

• 폐루프 이득이 대역폭에 영향을 미칩니다. 즉, 이득이 높아질수록 대역폭이 좁아집니다.
• 슬루레이트(Slew Rate)가 고정되어 있습니다. 이는 OP-amp가 주어진 신호의 변화 속도를 얼마나 빨리 따라갈 수 있는지를 결정합니다.

• 고정밀 증폭이 가능합니다. 주파수에 따라 정확한 이득 제어를 할 수 있습니다.
• 넓은 이득 범위에서 동작하며, 특히 저주파에서 매우 안정적입니다.
• 저왜곡 특성 덕분에 오디오 및 신호 처리에 적합합니다.

• 슬루레이트가 제한적이어서 고주파 신호를 처리하는 데 한계가 있습니다.
• 높은 이득에서 대역폭이 줄어들기 때문에 고이득 애플리케이션에서 주파수 응답이 제한됩니다.

CFA는 전류 피드백 방식의 증폭기로, 출력 전압의 변화를 전류로 피드백 받는 구조입니다. VFA와는 달리 전류 피드백을 사용함으로써 동작 방식이 다릅니다.

• 출력 전압의 변화를 감지하여 그 정보를 전류 형태로 반전 입력으로 피드백합니다.
• 피드백 전류는 OP-amp의 증폭 속도에 영향을 미치며, 이를 통해 빠른 응답성을 제공합니다.

• 대역폭은 이득에 거의 영향을 받지 않습니다. 즉, 이득이 높아지더라도 대역폭이 크게 감소하지 않습니다.
• 슬루레이트가 이득에 따라 가변적이므로, 고주파 신호 처리에 유리합니다.

• 고속 응답성을 제공합니다. 주로 고주파에서 매우 빠른 응답을 요구하는 애플리케이션에 적합합니다.
• 고이득에서도 대역폭 유지가 가능하여 고속 데이터 변환기 또는 RF 증폭기 등에 적합합니다.
• 슬루레이트가 더 높고 빠릅니다, 따라서 빠른 신호 처리나 고주파 응답이 중요한 상황에서 유리합니다.

• 정확한 이득 제어가 어렵습니다. VFA에 비해 이득 설정이 정확하지 않으며, 저주파에서 성능이 떨어질 수 있습니다.
• 높은 왜곡이 발생할 수 있습니다. 특히 낮은 이득에서 왜곡이 커져 정밀도가 요구되는 애플리케이션에서는 부적합할 수 있습니다.
• 고이득에서 열 안정성이 떨어질 수 있습니다.

OP-amp(Operational Amplifier)의 역사는 20세기 초반 아날로그 컴퓨터 시대에까지 거슬러 올라갑니다. OP-amp는 원래 아날로그 컴퓨터에서 다양한 수학 연산을 수행하기 위해 개발되었으며, 이름도 여기서 유래했습니다.

OP-amp의 초기 형태는 진공관을 사용한 아날로그 증폭기로, 1930년대에 등장했습니다. 1930년대 후반에 연구 개발이 시작되었으며, George A. Philbrick가 1940년대 말에 첫 상용 OP-amp를 진공관으로 제작했습니다. 이 당시의 OP-amp는 주로 아날로그 컴퓨터에서 미적분, 곱셈, 나눗셈과 같은 연산에 사용되었습니다.

1950년대 후반부터 진공관 대신 트랜지스터를 사용한 OP-amp가 개발되었습니다. 1960년대에는 트랜지스터 기술이 발전하면서 OP-amp의 성능이 향상되었고, 크기와 전력 소모도 줄어들었습니다. 특히 1963년에 Fairchild Semiconductor에서 개발한 μA702가 대표적인 초기 트랜지스터 기반 OP-amp 중 하나입니다.

1965년에 Fairchild Semiconductor의 Bob Widlar가 개발한 μA709는 세계 최초의 상업적으로 성공한 집적회로(IC) OP-amp로, 이때부터 OP-amp는 아날로그 회로의 핵심 부품으로 자리 잡았습니다. 곧이어 μA741이 출시되었고, 이는 오늘날까지도 널리 사용되는 OP-amp 중 하나입니다. μA741은 안정성과 성능이 향상된 제품으로, OP-amp 설계의 표준이 되었습니다.

1970년대 이후 OP-amp는 계속해서 성능이 개선되고 다양한 응용 분야에 맞춰 최적화된 다양한 버전이 등장했습니다. 저잡음, 저전력, 고속 OP-amp 등 다양한 특성을 가진 제품들이 출시되었으며, 오늘날에는 거의 모든 아날로그 신호 처리 회로에서 OP-amp가 사용되고 있습니다.

OP-amp의 발전은 아날로그 전자기기 및 신호 처리 기술의 발전에 큰 기여를 했으며, 오늘날에도 오디오, 통신, 제어 시스템, 계측 장비 등 다양한 분야에서 필수적인 부품으로 사용되고 있습니다.

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