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연산 증폭기의 임피던스에 부귀환이 미치는 영향

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Academic year: 2022

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(1)

Ch. 12 Ch. 12

Operational Amplifier (OP AMP)

(OP-AMP)

(2)

Yun SeopYu

연산 증폭기의 임피던스에 부귀환이 미치는 영향

Ii 비반전 증폭기의 입력 임피던스

A lVd I-

Iin

Iout

in NI

i

Z

( )

= V

Vd

AolVd

I

in NI

in

I

Z

( )

Vin = Vd + Vf I+

Iout

d in

d ol out

out d

ol out

I V I

I

V Z V

V A I

Z V

A V

− =

=

≈ +

=

+

in d f

= Vd + BVout

= Vd + BAolVd (1+BA )V

d

in

I

+

I

I

= (1+BAol)Vd

= (1+BAol)IinZin

(

ol

)

in

in in NI

in

BA Z

I

Z

( )

= V = 1 +

( >>Zin )

페루프 비반전 연산증폭기의 전체 입력 임피던스

(3)

Yun SeopYu

연산 증폭기의 임피던스에 부귀환이 미치는 영향

비반전 증폭기의 출력 임피던스

out out I

out

I

Z

( )

= V

Vout ≈ AolVd =Aol(Vin-Vf)

= Aol(Vin-BVout) Iout

(1+BAol)Vout = AolVin

1

in

ol ol

out

V

BA V A

= +

페루프 비반전 연산증폭기의

) ( NI out out

out

I Z

V =

out NI

out

BA

Z = Z

)

1

(

A

ol

V

in

( BA ) Z

1

페루 비반전 연산증폭기의

전체 출력 임피던스

BA

ol

+

)

1

(

( << Zout )

( )

out

NI out ol

out in ol

V Z

Z I BA

=

=

+

= 1

( )

: no feedback

out out

I = Z

=

: no feedback Å Vout = AolVin

Iout

(4)

Yun SeopYu

연산 증폭기의 임피던스에 부귀환이 미치는 영향

예제 12-5) OP-Amp.: Zin = 2 MΩ, Zout = 75 Ω, Aol = 200,000 Rin = 10 kΩ, Rf = 220kΩ

Z Z ?

Zin(NI), Zout(NI) ?

0435 10k 0

=

=

= R

i

B 0 . 0435

220k

10k =

= +

= +

f

i

R

B R

( + ) = + = Ω

= 1 [1 (0.0435)(2 00,000)](2 M) 17.4M

)

(NI ol in

in

BA Z

Z

in(NI)

( 1 + BA

ol

) Z

in

[1 + (0.0435)(2 00,000)](2 M) 17.4M Ω

Z

Ω + =

+ =

= 8 . 6 m

) 000 , 200 )(

0435 .

0 ( 1

75

)

1

(

l out NI

out

BA

Z Z

+

+ 1 ( 0 . 0435 )( 200 , 000 ) 1 BA

ol

220k 23 1

1 1

+ +

f

out

R

A V 23

1 10k

)

1

(

= ≈ = + = + =

i f in

out NI

cl

V B R

A

(5)

Yun SeopYu

연산 증폭기의 임피던스에 부귀환이 미치는 영향

전압 폴로워 임피던스

Rf = 0 Æ B =1

(

ol

)

in

VF

in

A Z

Z

( )

= 1 +

( > Zin )

out VF

out

A

Z Z

= +

)

1

( ( < Zout )

A

ol

+

1

(6)

Yun SeopYu

연산 증폭기의 임피던스에 부귀환이 미치는 영향

반전 증폭기의 증폭이득

A lVd I-

Iin

Vd

AolVd

I

Iout

I+

Iout

Vout ≈ AolVd =Aol(0 - V-) = -AolV- Iin = (Vin - V-)/Ri

If = (V- - Vout)/Rf

Iin = If

(1/Ri + 1/Rf)V- = Vin/Ri + Vout/Rf

⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

⎛ +

⎟⎟ =

⎜⎜ ⎞

⎛ +

= +

in out

i f out

in i f f

i

i V V

R B R V

R V R R

R V R

R

R ⎞ ⎛ ⎞

⎛ ( )

in

i f ol

out ol

out in

i f ol

out

V

R B R A V

BA V

R V B R A

V ⎟⎟

⎜⎜ ⎞

− ⎛

= +

>

⎟⎟ −

⎜⎜ ⎞

⎛ +

= 1

R BA R

V ⎛ ⎞

i f i

f ol

ol in

out I

cl

R

R R

R BA

BA V

A V ⎟⎟ ⎠ ≈ −

⎜⎜ ⎞

⎛ +

= −

= 1

) (

(7)

Yun SeopYu

연산 증폭기의 임피던스에 부귀환이 미치는 영향

반전 증폭기의 입력 임피던스

A lVd I-

Iin

in I

i

Z

( )

= V

Vd

AolVd

I

Iout

in I

in

I

Z

( )

I+

Iout

Vout ≈ AolVd =Aol(0 - V-) = -AolV-

d in

d ol out

out d

ol out

I V I

I

V Z V

V A I

Z V

A V

− =

=

≈ +

=

+

in i

f

out

V

R V R ⎟⎟

⎜⎜ ⎞

− ⎛

=

R

d

in

I

+

I

I

in i ol

f

V

R A

V R ⎟⎟ ⎠

⎜⎜ ⎞

= ⎛

>

f

R

f

R ⎟ ⎞

⎜ ⎛

i in i

in i ol

f

i

in i ol

f in

i in

in

R

V R

R V A

R

R R V A V R

R V

I V ⎟⎟ ≈

⎜⎜ ⎞

⎛ −

=

− =

=

1

페루프 반전 연산증폭기의 i i i i

i in

in NI

in

R

I Z

( )

= V =

페루프 반전 연산증폭기의

전체 입력 임피던스

(8)

Yun SeopYu

연산 증폭기의 임피던스에 부귀환이 미치는 영향

반전 증폭기의 출력 임피던스

V

out out I

out

I

Z

( )

= V

I

Z I = V ( 1 + BA ) V A B ⎜⎜ R

f

⎟⎟ V

Iout Iin

Iout

( )

in

i f ol

out

ol

V

B R A V

BA ⎟⎟

⎜⎜ ⎠

− ⎝

= +

1

out out

I

out

I V

Z

( )

=

(

ol

)

out I out ol f

V

in

R B R A I

Z

BA ⎟⎟

⎜⎜ ⎞

− ⎛

=

+

( )

1

R ⎟

i

⎜ ⎝

( ) ⎟⎟

⎜⎜ ⎞

⎟⎟ ⎛ −

⎜⎜ ⎞

= ⎛ +

out in ol i

f I

out

ol

I

V A R

B R Z

BA

( )

1

Iout

( )

out in ol out

in ol

out out

out

I

V A I

V A

I

Z V

− =

=

= 0

No feedback:

R

i

I

out

f

Z

R

⎟ ⎟

⎜ ⎜

out out

out

ol out ol

out f

i NI

out

BA

Z BA

R Z Z R

≈ + +

⎟ ⎟

⎜ ⎠

⎝ +

= 1 1

)

페루프 반전 연산증폭기의 (

전체 출력 임피던스 ol ol

( << Zout ) 전체 출력 임피던스

(9)

Yun SeopYu

연산 증폭기의 임피던스에 부귀환이 미치는 영향

예제 12-7) OP-Amp.: Zin = 4 MΩ, Zout = 50 Ω, Aol = 50,000 Ri = 1 kΩ, Rf = 100kΩ

Z Z A ?

Zin(I), Zout(I),Acl(I), ?

Ω

=

R 1k Zin(I)Ri =1kΩ Z

Z 50

Ω

= + +

+ =

m

k k

BA k Z Z

ol out I

out 980

100 ) 1

)( 1 000 , 50 ( 1

50

) 1

(

1k 100 100k

)

(I

=

out

= −

f

= − = −

cl

R

R V

A V

i

1k

in

R

V

(10)

Yun SeopYu

연산 증폭기의 임피던스에 부귀환이 미치는 영향(참고)

반전 증폭기 임피던스 –Miller 정리 이용

밀러의 정리 이용 ol

f MIller

in

A

Z R

= +

)

1

(

밀러의 정리 이용

f ol ol MIller

out

R

A Z A

= +

)

1

(

Zin(Miller)

Zout(Miller)

Zin(I) Zin(I)

Zout(I)

f

f R

R ||

||

ol R Z Z

Z A Z

Z = || = || ≈

i ol

f i

in ol

f i

in Miller

in i

I

in R

R A A Z

R Z

Z R

Z ≈ + ≈

+ +

= +

= ||

|| 1

) (

) (

out out

f ol out

Miller out I

out R Z Z

Z A Z

Z

= +

= ||

|| 1

) (

) (

(11)

Yun SeopYu

바이어스 전류 및 오프셋 전압 보상

입력 바이어스 전류 영향 (Å IB ≠ 0)

반전 증폭기 입력 바이어스 전류에 의한 출력 오차 전압

이상적인 OP-Amp: I1 = 0 Æ Vout = 0 실질적인 OP-Amp: I11 ≠ 0 Æ Voutout = Rff 1I1

(오차 전압)

전압 폴로워 입력 바이어스 전류에 의한 출력 오차 전압

이상적인 OP-Amp: Iin = 0 Æ Vout = 0 실질적인 OP-Amp: Iin ≠ 0

실질적인 OP Amp: Iin ≠ 0

Æ Vd = 0V 유지하려고 함 Æ Vout = V- = -RsI1 = V+

(오차 전압) (오차 전압)

(12)

Yun SeopYu

바이어스 전류 및 오프셋 전압 보상

입력 바이어스 전류 영향 (Å IB ≠ 0)

비반전 증폭기에서 입력 바이어스 전류에 의한 출력오차전압

이상적인 OP-Amp: If = 0 Æ Vout = 0 실질적인 OP-Amp: Iff ≠ 0

Æ Vout = RfI1 (오차 전압)

(13)

Yun SeopYu

바이어스 전류 및 오프셋 전압 보상

전압 폴로워 바이어스 전류 보상

이상적인 OP A I I 0 Æ V 0 이상적인 OP-Amp: I1 = I2 = 0 Æ Vout = 0 실질적인 OP-Amp: I1 ≠ 0, I2 ≠ 0

V V R I V+ = V- = -RsI2,

Æ Vout = RsI1 + V- = RsI1 + -RsI2 = Rs(I1 – I2) = RsIOS

( )

(오차 전압) Å IOS = I1 – I2

(14)

Yun SeopYu

바이어스 전류 및 오프셋 전압 보상

기타 연산 증폭기 회로의 바이어스 전류 보상

비반전증폭기 비반전증폭기

반전증폭기

(15)

Yun SeopYu

바이어스 전류 및 오프셋 전압 보상

바이어스 전류보상이 필요없는 BIFET 연산증폭기 이용 BIFET: BJT + JFET

높은 임력임피던스 (입력단) Æ 입력 바이어스 전류 << BJT

높은 임력임피던스 (입력단) Æ 입력 바이어스 전류 << BJT Æ 바이어스 전류 보상 필요 없음

입력 오프셋 영향영향

이상적인 OP-Amp: Vdiff = 0 Æ Vout = 0

실질적인 OP-Amp: Vdiff ≠ 0 Æ Vout ≠ 0 (; 수 μV ~ 수 mV) Å 바이어스 전류 영향

Å BJT가 서로 다를 수 있다.

z VOUT( ) = VIO (출력 오차 전압)

z VOUT(error) = VIO (출력 오차 전압)

입력 오프셋 전압 보상

VIOIO = 0 되도록 입력 오프셋 전압 조정

(16)

Yun SeopYu

연산 증폭기의 주파수 응답 안정도 및 보상

및 보상

(17)

Yun SeopYu

연산 증폭기의 주파수 응답 기본 개념

개방 루프 이득(open-loop gain) Aol: 연산 증폭기 자체 내부회로에 의해서 결정되는 전압이득

폐 루프 이득(closed-loop gain) Acl: 부귀환된 연산증폭기 전압이득

(18)

Yun SeopYu

연산 증폭기의 주파수 응답 기본 개념

주파수와 이득

중역이득(mid-range gain): 0Hz에서 임계주파수(–3 dB)까지의 이득 임계주파수( iti l f ) 중역이득보다 작아지기 시작하는 주파수 임계주파수(critical frequency): 중역이득보다 작아지기 시작하는 주파수 단위이득 주파수(unit-gain frequency): 이득이 1이 되는 주파수

(19)

Yun SeopYu

연산 증폭기의 주파수 응답 기본 개념

3 dB 개방 루프 대역폭(open-loop bandwidth): 중역이득보다 3dB적은 두 주파수 범위

BW f f 상한주파수 하한주파수

BW = fcu – fcl = 상한주파수 – 하한주파수 대개 fcl = 0 Hz Æ BW = fcu ≈ fc

단위이득 대역폭(unit-gain bandwidth) = 단위 이득 주파수 단위이득 대역폭(unit gain bandwidth) 단위 이득 주파수 이득과 주파수 분석

연산증폭기 내부: RC 지연회로 포함 (:주파수 ↑ Æ 이득 ↓ )

1

2 2

2 =

= +

= C

i out

v R X R

X V

A V

R 2

707 1 . 1 0

2 = =

log 1 20 log

20

1

) (

2

=

=

+ +

out db

C in C

A V

X R X

V R

R R X

X R

C

1 1 1 2

2

2

=

=

>

= +

dB 3

1 log 20 log

20

2 ) 2

(

=

+

C in

db v

X V R

A

C R f

XC2 =1>XC = =2πc

f 1

dB 3

f

c

RC

π

2

= 1

(20)

Yun SeopYu

연산 증폭기의 주파수 응답 기본 개념

이득과 주파수 분석

( 1 )

1

C

c

X

f = = =

Aol(mid): 중역이득

2 ) (mid ol

ol

f

A = A

( )

1

2 2

V

out

R R

fC RCf

f

=

π π

: RC 지연회로의 감쇠량

1

2

f

c

+ f

2 2

1

c in

f V f

+

: RC 지연회로의 감쇠량 (주파수 의존성)

(21)

Yun SeopYu

연산 증폭기의 주파수 응답 기본 개념

위상 지연 (phase shift)

RC 회로: 입력과 출력사이에 지연 위상각

위상각:

⎟⎟ ⎠

⎜⎜ ⎞

− ⎛

⎟⎟ =

⎜⎜ ⎞

− ⎛

=

f f X

R

1

1

tan

φ tan

⎜ ⎠

⎟ ⎝

⎜ ⎠

X

C

f

c

φ

if f >> fc : φ = -90°

(22)

Yun SeopYu

연산 증폭기의 주파수 응답 기본 개념

예제: fc(ol) = 100 Hz, Aol(mid) =100,000 Æ Aol?

f = 0 Hz Æ 100000

1 0

100000 1

2 )

( = =

= ol mid

ol f

A A

f = 10 Hz Æ

99503 1 10

100000 1

1 100 1

2 2

) (

2 2

= +

= +

=

+ +

mid ol ol

c

f A A

f f

f = 100 Hz Æ

70710 1 100

100000 1

1 100 1

2 2

) (

2 2

= +

= +

=

+ +

mid ol ol

c

f A A

f

예제: fc = 100 Hz Æ 위상각 φ ?

1 100 1+ 2 + 2

fc

f = 1 Hz Æ

°

=

⎟⎟=

⎜⎜

⎟⎟ =

⎜⎜

=

10

573 . 100 0

tan 1 tan

tan 1 1 1

c C

f R

f f X

φ R

f = 10 Hz Æ

f ⎜⎜ ⎟⎟ ⎜⎜ ⎟⎟ °

°

=

⎟⎟=

⎜⎜

⎟⎟ =

⎜⎜

=

100 45 tan

tan tan

71 . 100 5

tan 10 tan

tan

1 1

1

1 1

1

c C

f R

f f X

R

φ φ

f = 100 Hz Æ = tan ⎜⎜ ⎟⎟ = tan ⎜⎜ ⎟⎟= tan 100= 45°

c

C f

f φ X

(23)

Yun SeopYu

연산증폭기의 개방루프 응답

주파수 응답

실제는 각 단의 주파수 응답의 합성

(24)

Yun SeopYu

연산증폭기의 개방루프 응답

위상 응답

다단 증폭기: 각단 최대 RC 지연에 의한 위상 = -90°

⎟⎟ ⎠

⎜⎜ ⎞

− ⎛

⎟⎟ ⎠

⎜⎜ ⎞

− ⎛

⎟⎟ ⎠

⎜⎜ ⎞

− ⎛

=

cn c

c

tot

f

f f

f f

f

1

2 1

1

1

tan tan

tan L

φ

ex) 3단: 최대 위상 = - 90° - 90° - 90° = -270°

예제 12-10: 내부 3단 증폭기 예제 12 10: 내부 3단 증폭기

1단: Av1 =40 dB, fc1 = 2kHz 2단: Av2 =32 dB, fc2 = 40kHz 3단: A =20 dB f = 150kHz 3단: Av3 =20 dB, fc3 = 150kHz f = fc1 Æ φtot ?

dB 92 20

32

3

40

2

1

+ + = + + =

=

v v v

ol

A A A

A

⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

− ⎛

⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

− ⎛

⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

− ⎛

=

2 2

2

tan tan

tan

3 1 2

1 1

1

k k

k

f f f

f f

f

c c

c

φtot

°

=

⎟⎠

⎜ ⎞

− ⎛

⎟⎠

⎜ ⎞

− ⎛

⎟⎠

⎜ ⎞

− ⎛

=

6 . 48

150 tan 2

40 tan 2

2

tan 1 2 1 1

k k k

k k

k

(25)

Yun SeopYu

연산증폭기의 폐루프 응답

부귀환 회로가 대역폭에 미치는 영향(비반전증폭기)

1 1

1 jX

V

1 1 1

1 1

1

c C

C C

C in

out

f j f X

j R jX

jX R R

jX V

V

+

= +

=

− =

= −

) (

1

mid ol ol

f j f A A

+

=

) (ol

fc

) ( )

(

1 1 ol mid

mid ol

A BA

A A

f j f A

A + +

( )

( )

) (

) ( ) (

) (

) ( )

(

) ( )

( ) ( )

(

1 1 1

1 1

1 1 1

cl c mid cl

ol c mid ol

mid ol

ol c mid

ol

mid ol mid

ol ol c ol

ol NI

cl

f j f A

f BA

j f

BA

f j f BA

A

j f BA f BA

A A

+

= + +

= + +

+

= +

+ + =

=

) (

1

ol

fc

+ j

(

ol mid

)

col cl

(

ol mid

)

ol

cl c mid

ol mid

cl A f BA f BW BA BW

A ( ) = ( ) , ( ) = 1+ ( ) ( ), = 1+ ( )

c cl

(

ol mid

)

col cl

(

ol mid

)

ol mid

ol mid

cl f f

BA ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

)

( , ,

1+ 단,

(26)

Yun SeopYu

연산증폭기의 폐루프 응답

부귀환 회로가 대역폭에 미치는 영향(반전 증폭기)

f ol f

out BA R R

A V − ⎜⎛ ⎟⎞

) (mid ol

l

f

A = A

( ) ( )

) (

1

i f mid

i ol f

l mid ol

i f

ol R

BR R A

BR

f j f A

R BR

A ⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

− ⎛

⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

⎛ +

⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

− ⎛

i f i

f ol

ol in

out I

cl V BA R R

A = = + ⎜⎜⎝ ⎟⎟⎠ ≈ −

) 1

(

) (

1

ol c ol

f j f A

+

) ( )

( )

( ) ( )

(

1 1

1 1

ol c mid

ol

i mid

ol ol c ol

i I

cl

f j f BA

R

f j f BA f BA

A R

+ +

= ⎝ +

+ +⎝ ⎠=

=

) (

) (

f mid

ol

ol c

R R BR A

j f

⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

− ⎛

( ) ( )

) ( )

(

1 1

1

1 i cl mid

f mid

ol

i

j f A j f

R R

j f

BA

R

+

= +

≈ +

+

⎟⎠

⎜⎝

=

(

( )

)

( )

(

( )

)

( ) ( )

1 1 1 1

1

cl c ol

c mid ol ol

c mid

ol j f

f j BA

f

j BA +

+ + + +

( ) ( )

i f f mid

ol

BW BA

BW f

BA R f

R BR A

A

) (

1

1+ +

⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

⎝ 단, ⎛

(

ol mid

)

col cl

(

ol mid

)

ol

cl c i

f mid

ol i mid

cl f BA f BW BA BW

R

A BA ( ) ( ) ( ) ( )

) ( )

( , 1 , 1

1 ≈− = + = +

+ ⎝ ⎠

=

(27)

Yun SeopYu

연산증폭기의 폐루프 응답

예제 12-11: Aol(mid) = 150,000, BWol =200Hz, B=0.002 Æ BWcl?

[ 1 +

( )

] = [ 1 + ( 0 . 002 )( 150000 ) ] ( 200 ) = 60 . 2 kHz

=

ol mid ol

cl

BA BW

BW

(28)

Yun SeopYu

연산증폭기의 폐루프 응답

부귀환 회로가 대역폭에 미치는 영향

A

cl(mid)

감소

f (BW ) 증가

f

c(cl)

(BW

cl

) 증가

(29)

Yun SeopYu

연산증폭기의 폐루프 응답

이득 대역폭 적 (gain-bandwidth product) Acl ↑ Æ BWcl (fc(cl)) ↓

fc(cl) ↑ Æ Acl

A

cl

f

c(cl)

= 일정 = A

ol

f

c(ol) : 단위 이득 대역폭

(30)

Yun SeopYu

연산증폭기의 폐루프 응답

예제 12-12: Aol = 100dB, 단위이득대역폭 = 3MHz Æ BWcl? (a) 비반전 증폭기, Ri = 3.3 kΩ, Rf = 220kΩ

, 7 . 3.3k 67

1 220k 1 1

1

( )

) ( )

(

≈ = + = + =

= +

i f mid

ol mid ol mid

cl

R

R B

BA A A

44.3kHz 67.7

단위이득대역폭 3M

) (

) (

=

=

=

=

cl cl

cl c

i mid

ol

BW A f

(b) 반전 증폭기, Ri = 1 kΩ, Rf = 47kΩ

, 1k 47

47k

)

(

= − = − = −

i f mid

cl

R

A R

kHz 8

. 47 63

단위이득대역폭 3M

)

(

= = = =

cl cl

cl

c

BW A

f

참조

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