Ch. 12 Ch. 12
Operational Amplifier (OP AMP)
(OP-AMP)
Yun SeopYu
개요
기호 및 단자
S b l
1 8 NC
Symbol
Invert Noninvert
V+
Output NC
V
-
Typical Package
Yun SeopYu
개요
이상적인 OP-Amp
Zin =
∞;
Avv =
∞ ; ;
bandwidth =
∞;
Zout = 0
실제적인 OP-Amp
Zin = very high (MΩ);
Av = very high (~100,000);
Z l ( 100 Ω)
Zout = very low (<100 Ω) bandwidth = few MHz range Vout and Iout have limitations
Yun SeopYu
개요
간단한 연산 증폭기 구성
차동증폭기(differential amplifier): input stage
• Amplification of the difference voltage between the two inputs
전압증폭단 (voltage amplfier gain stage): second stage
• Class A amplifierC ass a p e
• Additional gain
• More than one voltage amplifier stage
푸쉬-풀 전력증폭기(push-pull power amplifier): output stage
푸쉬 풀 전력증폭기(push pull power amplifier): output stage
Yun SeopYu
차동 증폭기
Å 연산 증폭기: 두개이상의 차동 증폭단 포함 기본동작
회로 및 기호 회로 및 기호
Yun SeopYu
차동 증폭기
기본동작
가정: Q1≡ Q2, Rc1 = Rc2
Input 1 = Input 2 = 0 V (접지)p p
VBE = VB - VE = -VE = 0.7 V Æ VE = -0.7 V
EE EE
E
RE R
V R
V
I =V − =−0.7−
IE1 = IE2 = IRE/2
IC1 = IC2 ≈ IRE/2
E
E R
R
VC1 = VC2 = VCC - IC1RC1
Input 2 = 0 V; Input 1 = VB ( > 0)
IRE
IE1 IE2
VE IC1 ↑ Æ VC1 ↓ Æ VE (= VB – 0.7)
Q2의 VBE (= 0 – VB + 0.7) ↓ Æ IC2
↓ Æ VC2 ↑
IRE ↓ Æ VC2 ↑
Input 1 = 0 V; Input 2 = VB ( > 0)
IC2C ↑ Æ VC2C ↓ Æ VE (= VB – 0.7)
Q1의 VBE (= 0 – VB + 0.7) ↓ Æ IC1 ↓ Æ VC1 ↑
Yun SeopYu
차동 증폭기
신호 동작 모드
단일 입력 (single-ended): 한쪽 입력, 다른쪽 접지
Yun SeopYu
차동 증폭기
신호 동작 모드
차동 입력 (differential-ended): 서로 다른 두개의 입력
Yun SeopYu
차동 증폭기
신호 동작 모드 동상 모드
Æ 동상 신호 제거( common-mode rejection) Æ 잡음 (인접 도선, 60Hz 전력선) 제거
Yun SeopYu
차동 증폭기
신호 동작 모드
동상신호 제거비 (Common-mode rejection ratio: CMRR):
원하는 신호는 증폭 Æ 출력 높은 이득 (수천)
z 원하는 신호는 증폭 Æ 출력: 높은 이득 (수천)
z 잡음은 동상모드 제거 Æ 출력 ~ 0 (이득 ~0)
A A ⎜ ⎛ ⎟ ⎞
dB A in
or A A
CMRR A
cm ol cm
ol
⎟⎟
⎠
⎜⎜ ⎞
⎝
= ; 20 log ⎛
A : 개방루프 전압이득(open loop voltage gain) Aol
z 차동증폭기 성능 결정의 중요한 기준 Æ CMMR high : good
Aol : 개방루프 전압이득(open-loop voltage gain) ol
Æ CMMR high : good Æ CMMR low: bad
- 예제 12-1) A = 100 000 A = 0 2 Æ CMRR?
- 예제 12-1) Aol = 100,000, Acm = 0.2 Æ CMRR?
; 000 , 2 500
0
000 ,
100 =
=
= A CMRR A
ol( ) 20 log( 500 , 000 ) 114 dB
log 20
2 . 0
=
=
= CMRR
CMRR
A
dB
cm
Yun SeopYu
차동 증폭기
Extra Example) Aol = 2,500, CMRR = 30,000
V 500 V 잡음 V 1V 60 Hz Vin1 = 500μVrms, 잡음 Vcm = 1Vrms 60 Hz
(
CMRR)
dBCMRRdB = 20log = 20log(30000) =89.5 2500
A 0.083 300002500 =
=
= CMRR Acm Aol
in in
ol
out A V V
V
) 0 500
)(
2500 (
)
( 1 2
1
−
=
−
=
μ Vout Aol Vin Vin
)]
500 (
500 )[
2500 (
)
( 1 2
1
−
−
=
−
=
μ μ
cm in cm cm
out A V
V
) 1 )(
083 . 0 (
) ( )
(
=
=
Vrms
25 .
=1
Vrms
5 . 2
)]
( )[
(
=
μ μ
mVrms
83
) )(
(
=
Yun SeopYu
연산 증폭기 파라미터
입력 오프셋 전압(input offset voltage), VOS 이상적인 OP Amp: V 0 Æ V 0 이상적인 OP-Amp: Vin = 0 Æ Vout = 0 실질적인 OP-Amp: Vin = 0 Æ Vout ≠ 0
z Why ? Æ 공정상의 에러Æ Vy BE1BE1 ≠ VBE2BE2 Æ IC1C1 ≠ IC2C2 Æ Voutout ≠ 0
입력 오프셋 전압: Vin = VOS (Å Vout = 0)
Yun SeopYu
연산 증폭기 파라미터
온도 의존성 (input offset voltage drift; IOVD) ΔV /1°C (Å V 온도 의존성)
= ΔVOS/1 C (Å VBE 온도 의존성) 대개 5 μV/°C ~ 50 μV/°C
높은 Vos Æ 높은 IOVD 높은 os 높은 O 입력 바이어스 전류
입력 전류: 베이스 전류 (IB)
Yun SeopYu
연산 증폭기 파라미터
입력 임피던스 (input impedance)
차동 입력 임피던스(differential input impedance):
차동 입력 변화에 따라서 변화하는 차동 입력 변화에 따라서 변화하는 바이어스 전류 측정하여 결정
동상 입력 임피던스 (common-mode impedance):
동상 입력 변화에 따라 흐르는 동상 입력 변화에 따라 흐르는
바이어스 전류 변화 값 측정하여 결정
Yun SeopYu
연산 증폭기 파라미터
출력 임피던스: 출력단에서 바라 본 임피던스
최대 출력 전압폭(output voltage swing;
V
o(p-p)): 입력 단자에 신호전압 최대 출력 전압폭(output voltage swing;V
o(p-p)): 입력 단자에 신 전압 인가하였을 때 출력에 클리핑이나 왜곡을 초래하지 않는 입력전압 범위대개 ±15 V 직류공급전원
- Vo(p-p) = ±13V when RL = 2kΩ - Vo(p-p) = ±14V when RL = 10kΩ
개방 루프 전압이득 (open-loop voltage-gain) A 개방 루프 전압이득 (open-loop voltage-gain), Aol
No feedback의 전압이득
대개 50,000~ 200,000 (매우 높음)
Yun SeopYu
연산 증폭기 파라미터
입력 오프셋 전류 (input offset current), IOS
이상적인 경우: Vin1 = Vin2 Æ Vout = 0 Å IC1 = IC2 이상적인 경우: Vin1 Vin2 Æ Vout 0 Å IC1 IC2 실질적인 경우: Vin1 = Vin2 Æ Vout ≠ 0 Å IC1 ≠ IC2 IOS = |I1 – I2| (< IBIAS/10 Æ 무시가능)
VOS = I1Rin– I2Rin = (I1-I2)Rin
= IOS Rin
Vout(error) = AvVOS = Av IOS Rin
I 변화 Å 온도 변화 IOS 변화 Å 온도 변화
(보통 온도계수: 0.5 nA/°C )
Yun SeopYu
연산 증폭기 파라미터
동상신호 제거비
dB in log
20
; ⎟⎟
⎠
⎜⎜ ⎞
⎝
= ⎛
cm ol cm
ol
A or A
A CMRR A
슬루율 (slew rate)
계단파 입력 Æ 시간에 따른 출력전압의 최대 변화율
⎠
⎝
cmcm
연산 증폭기 내부 증폭단의 고주파 응답에 의존
Slew rate = Δvout/Δt [V/μs]
Å Δvout = +Vmax - (-Vmax).
Yun SeopYu
연산 증폭기 파라미터
예제 12-2 non-ideal slew rate?
-Δt ;출력하한 90% Æ 출력상한 90 % Æ Δt = 1 μs
- ΔVout = 9 – (-9) = 18 V
Slew rate = Δvout/Δt
= 18/1μ = 18 [V/μs]
Yun SeopYu
연산 증폭기 파라미터
주파수 응답
접합 캐패시터스에 의해 제한
내부 결합 캐패시터 없음 Æ 저주파 응답 (d 특성과 거의 비슷) 내부 결합 캐패시터 없음 Æ 저주파 응답 (dc 특성과 거의 비슷)
기타
단락 회로 보호 기능: 출력 단락할 때 충격으로부터 회로를 보호
래치업 (latch-up) 방지: 임의의 입력 조건 하에 출력이 한가지 상태에만 머무는 것 방지
입력 오프셋 널링(nulling): 입력 = 0 V일 때 외부 전위차계에 의해 입력 셋 널링(nulling): 입력 0 V일 때 외부 전위차계에 의해 출력전압을 0V로 조정하는 것
Yun SeopYu
연산 증폭기 파라미터
파라미터 비교
Aol = 200,000
Yun SeopYu
Datasheet - KA741
Yun SeopYu
Datasheet - KA741
Aolol 200 000200,000
Yun SeopYu
부귀환 (negative feedback)
개방 루프 OP-Amp (open-loop OP Amp)
Vout = AolVin
예) Vin = 1mV, Aol= 100,000 OP-Amp 최대 출력 전압
Æ Vout = AolVin = (1m)(100,000) = 100 V (> Vmax) Æ Vout은 Vmax로 한정
잡음 신호 Æ 증폭 Æ 매우 큰 출력신호
잡음 신호 Æ 증폭 Æ 매우 큰 출력신호 Î 불안정화 Î 발진 초래
Yun SeopYu
부귀환 (negative feedback)
폐 루프 OP-Amp (closed-loop OP-Amp )
장점:
1. 전압 이득 제어 Æ 선형 증폭 Æ 선형 증폭
2. 입, 출력 임피던스 제어
↓ ↓
Vout ↓ Æ gain ↓
Yun SeopYu
부귀환 (negative feedback)
폐 루프 OP-Amp (closed-loop OP-Amp )
Yun SeopYu
부귀환 연산 증폭기 구성
비 반전 증폭기(Non-inverting amplifier) I+
I+ = I- = 0 by reverse-bias V- ≈ V+ by negative feedback Vout = Aol (Vin - Vf)
R ⎟ ⎞
⎜ ⎛
I- I+
out out
f i
i
f
V BV
R R
V R ⎟ ⎟ =
⎠
⎞
⎜ ⎜
⎝
⎛
= +
Å I+ = I- = 0
Vout = Aol (Vin - BVout) (1+ Aol B) Vout = AolVin
ol ol in
out
BA A V
V
= + 1
By negative feedback Î V+ ≈ V-
i f in
out NI
cl
R
R B
V
A = V ≈ 1 = 1 +
)
( (Å BAol>>1) Aol에 무관 Æ 전압이득 안정 Í
( )
NI(비반전) 페루프 이득
Yun SeopYu
비 반전 증폭기 – 예제 12-3
NI(비반전) 페루프 이득 ?
Î A 에 무관 Î Aol에 무관
Yun SeopYu
전압 폴로워 (voltage follower)
1
1 1
fout
R
A V
특징:
1 전압 이득 1
0
1
)
1
(
=
−
−
<
= +
=
≈
=
f
i f in
out NI
cl
R
R B
A V
1. 전압 이득 ~ 12. 높은 입력 임피던스 3. 낮은 출력 임피던스
f
Vout = Vin
Î 완충증폭기(buffer)로 사용
Yun SeopYu
반전 증폭기 (inverting amp.)
I+ = I- = 0 by reverse-bias V- ≈ V+ by negative feedback
If Iin = (Vin - V-)/Ri = Vin/Ri Virtual
Ground
Æ V- ≈ V+ = 0 : virtual ground
I I Iin = If
in in i in i
If = (V- - Vout)/Rf = -Vout/Rf
I+ I-
Iin Iin If
Vin/Ri = -Vout/Rf
R
fV
i f in
out I
cl
R
R V
A
( )= V = −
I(반전) 페루프 이득 ÎAol에 무관
Î전압이득 안정 I(반전) 페루프 이득
예제 12 6 정
예제 12-6
Yun SeopYu
반전 증폭기 – 예제 12-4
I(비반전) 페루프 이득 Acl(I) = -100 되기 위한 Rf ?
Î Aol에 무관