Op-amp
Operatioanl Amplifier
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.
단동형 Op-amp
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.
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차동형 Op-amp
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:
완전 차동형 Op-amp
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.
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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.
VFA와 CFA
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.
VFA(Voltage Feedback Amplifier)
VFA는 전압 피드백 방식의 증폭기로, 출력 전압의 변화를 입력단에서 전압으로 피드백 받는 구조입니다. 전통적인 OP-amp의 설계 방식이며, 가장 널리 사용됩니다.
동작 원리
출력 전압의 변화를 감지하여 그 정보를
전압 형태로 반전 입력(-)으로
피드백합니다.
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특징
장점
단점
슬루레이트가 제한적이어서 고주파
신호를 처리하는 데 한계가 있습니다.
높은 이득에서 대역폭이 줄어들기 때문에 고이득 애플리케이션에서
주파수 응답이 제한됩니다.
CFA(Current Feedback Amplifier)
동작 원리
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피드백 전류는 OP-amp의
증폭 속도에 영향을 미치며, 이를 통해 빠른 응답성을 제공합니다.
특징
장점
단점
VFA와 CFA의 비교
특성 | VFA | CFA |
피드백 방식 | 전압 피드백 | 전류 피드백 |
대역폭 | 이득에 따라 감소 | 이득에 거의 영향을 받지 않음 |
슬루레이트 | 고정 | 이득에 따라 가변적 |
응답 속도 | 상대적으로 느림 | 매우 빠름 |
이득 제어 | 정확한 이득 제어 가능 | 이득 제어가 어렵고 불안정할 수 있음 |
왜곡 | 낮음 | 상대적으로 높음 |
적용 분야 | 정밀한 저주파 증폭 (오디오, 신호 처리) | 고속 신호 처리 (RF, 영상, 고속 ADC) |
Basic Op-amp Configurations
Reference