Top 32 Opamp 버퍼 Top Answer Update

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연산증폭기(OP-amp) 반전, 비반전 증폭기 직관적으로 이해하기!

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Op-Amp에 대해 알아보자(3)

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Voltage Follower(버퍼) 설계

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회로이론(19) Op-Amp #2 [Op-amp 모델 용도 사용 이유단위 이득 버퍼]

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OP Amp 전압 팔로워(Voltage Follower) 회로 – 공대생의 오아시스

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Oasis for Engineering students

시작하기 전에…

1 전압 팔로워(Voltage Follower) 회로 분석

2 전압 팔로워(Voltage Follower)를 사용하는 이유

마치며…

글 내비게이션

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op amp (연산 증폭기) 버퍼회로

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Intuitive Model

Solving the Equations

Step Response Time

Frequency Response

Laplace Transfer Function

Example Buffering a Voltage Divider

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OP Amp · 콤퍼레이터란? : 전자 기초 지식 | 로옴 주식회사 – ROHM Semiconductor

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OP Amp란

콤퍼레이터란

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Op-Amp에 대해 알아보자(3)

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“Buffer”

buffer

buffer의 또 다른 이름은 voltage followr 이라고도 한다.

buffer는 Op-Amp의 Gain이 1로, Op-Amp를 통과한 입력신호가 그대로 출력신호로 나오는 것을 말하며 신호가 그대로 나와야 하기 때문에 +의 입력, 비반전으로 입력시켜주어야 한다.

buffer가 있는 회로는 전원으로부터 거의 전류를 끌어들이지 않는다. 그 이유는 Op-Amp의 임피던스가 매우 높기 때문에 전류를 거의 끌어들이지 않는다. (옴의 법칙을 생각해보자) 또한, Feedback 저항기가 없기 때문에 Op-Amp가 동일한 출력을 내기 때문에 입력신호와 동일한 신호를 출력한다.

이 때문에 buffer를 사용하는 이유 중 하나이다. buffer는 원래 회로를 방해하지 않고 전류를 거의 소모하지 않고, 출력과 동일한 전압 신호를 제공한다. 이 친구들은 회로의 전원이 거의 방해를 받지 않도록 회로를 차단하는 isolation buffer 역할을 한다.

buffer의 가장 큰 특징은 isolation이다. 성질이 다른 두 회로가 있을 때, 두 회로를 전기적 문제가 생기지 않도록 분리해주며 전압분배 역할을 우수하게 수행한다.

우선, 두 회로를 격리 시켜주는 경우부터 먼저 보자.

1) Isolation

Cascade

buffer의 isolation 특징으로 인하여 이전 단과 다음 단과의 특성을 보존할 수 있다. 그 이유는 Op-Amp의 매우 높은 임피던스 때문에 전류가 buffer로 흐르지 않기 때문이다. (Op-Amp의 특성을 생각해보자)

위 그림을 보면 회로가 3단계로 구성되어 있다. 만약 첫번째의 출력이 그대로 세번째의 입력으로 사용하고 싶다면 두번째에 buffer을 추가하여 회로의 안정성을 높일 수 있겠다. 물론 buffer을 추가 하지 않고 세번째로 전달해도 된다.

2) divider

buffer는 전압 분배에 있어서 아주 뛰어난 친구이다. 이 부분에 대해 살펴보도록 하자.

전원으로 10V, 5KΩ 저항 두 개가 직렬로 연결되어 있다. 저항은 10V의 전압을 5V로 나눠 갖고 있다.

밑의 저항에 병렬로 1KΩ을 추가하게 되면 위의 저항은 5KΩ, 밑은 5KΩ||1KΩ ≒ 830이 된다. 두 저항 값이 달라지게 되어 10V를 반반씩 못 나눠 갖게 된다. 이때, 저항 말고도 어떠한 회로(임피던스가 5K가 되지 않는 한)를 추가해도 마찬가지로 10V의 전압을 반반씩 못 나누게 된다.

하지만 buffer을 추가하면 Op-Amp의 특징에 의해 5V씩 나눠가질 수 있다. Op-Amp의 입력 임피던스는 수백MΩ이기 때문에 5KΩ||수백MΩ ≒ 5KΩ이 된다. 입력 임피던스가 높기 때문에 나눠 가질 수 도 있고, buffer내부로 전류가 흐르지 않기 때문에 전압을 나눠 가진다고 생각할 수도 있다.

그래서, 1KΩ에도 5V의 전압을 공급할 수 있게 된다.

잘 생각해보면

Cascade

생각해보면, 위 그림이 divider의 특징을 잘 알려주는 그림이다.

#1에선 10V와 저항 두개, #2에선 buffer, #3에선 1K 부하 저항.

Op-Amp의 buffer에 대해 알아보았다.

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Voltage Follower(버퍼) 설계

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Voltage Follwer(버퍼) 회로 설계에 대해 소개하고자 한다.

Voltage Follwer는 OP Amp Gain이 1로 입력신호 그대로 출력신호로 나간다.

Voltage Follwer를 사용하는 이유는 회로를 방해하지 않고 입력과 동일한 전압 신호를 출력하기 때문이다.

아래 사진은 5V가 R1과 R2에 의해 분배된 전압인 2.5V를 LOAD에 인가하는 회로이다.

LOAD가 연결되지 않은 상태라면 전압분배법칙에 따라 R1과 R2의 저항 값인 10KΩ에 의해 전압은 2.5V이다.

2.5V 전압을 LOAD인 100Ω을 연결하면 R2와 LOAD는 병렬저항으로 동작하게 된다.

R2 || LOAD ≒ 99.01Ω = R(R2 || LOAD) ≠ 10KΩ이 된다.

R1에 걸리는 전압은 4.951V이고, R2와 LOAD에 걸리는 전압은 0.049V이다.

이렇게 전압의 출력 임피던스가 높기 때문에 부하가 연결됨에 따라서 출력 전압의 크기가 아주 민감하게 변화하는 양상을 확인할 수 있다.

아래 사진은 Voltage Follwer 회로이다.

R1, R2에 의해 전압분배된 신호는 OP Amp의 비반전 단자로 입력된다.

OP Amp 데이터시트 상의 Input bias current에 적힌 통상 바이어스 전류인 275pA를 이용하여 역산하면 현재 회로상 OP Amp의 비반전 입력 측의 바이어스 전압이 2.5V이므로 2.5V / 0.000000000275 = 9.09GΩ으로 OP Amp의 입력 임피던스는 사실상 무한대에 가깝다.

R2와 OP Amp를 9.09GΩ 저항으로 등가치환하여 이에 대한 병렬 저항 값을 계산하면 R2 || OP Amp ≒ 9,999.989Ω = R(R2 || OP Amp) ≒ 10KΩ이 된다.

전압분배 회로인 R1과 R2와 동일한 구성으로 동작되므로 극히 미소한 오차범위 이내에서 OP Amp로 입력되는 전압 값은 2.5V가 된다.

따라서 OP Amp의 무한대에 가까운 입력 임피던스로 인하여 OP Amp로 입력되는 전압 신호는 거의 그대로 입력되게 된다.

LOAD에 전달되는 전압 신호는 2.5V가 되며 LOAD 저항의 크기가 바뀌더라도 OP Amp의 특성인 입력 임피던스가 높고 출력 임피던스가 낮은 특성에 의해서 항상 균일한 2.5V의 전압 신호가 전달되게 된다.

Voltage Follwer 회로는 입·출력의 임피던스 매칭을 위하여 사용하기도 하지만 실제 OP Amp 제품마다 갖고 있는 ‘Gain Bandwidth’의 주파수 특성을 이용하여 불규칙한 고주파의 특성을 갖는 노이즈 신호를 흡사 Low-Pass Filter와 같이 필터링하는 목적으로도 사용한다.

OPA317은 300KHz의 Gain Bandwidth를 가지고 있어 300KHz 이상의 입력 신호 혹은 노이즈는 최종 출력 측에서 필터링된다.

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회로이론(19) : Op-Amp #2 [Op-amp 모델, 용도, 사용 이유/단위 이득 버퍼]

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Op-amp 모델

실제 회로에서 op-amp의 동작 성능을 보기 위하여 단위 이득 버퍼라 불리는 회로망을 보도록 하겠다.

단위 이득 버퍼

op-amp 회로도의 기호가 전원을 포함하고 있음을 주목하자. 그리고 이 회로를 해석하기 위하여 앞의 글에서 소개했던 이득 특성 단술 모델을 대입하도록 한다.

이득 특성 단순 모델

위의 모델을 처음 회로에 대입하면 아래와 같은 회로로 표현할 수 있게 된다.

단위 이득 버퍼에 이득 특성 모델을 대입한 회로망

이 회로를 보면 저항과 종속 전원만으로 이루어진 회로가 되어서 쉽게 해석할 수 있다. 우리는 앞의 글에서 몇 가지 회로 해석 방법을 배웠다. 이를 활용해서 해석하도록 하자. 위 회로에서는 KVL을 써서 폐로 방정식을 세우면 된다.

이득 V O /V S 를 구하면 다음과 같다.

R O << R i 인 경우 만약 A O >> 1 이면

단위 이득 버퍼라는 용어의 이름이 이 결과 식을 보면 어떻게 붙여졌는지 짐작할 수 있다.

다음 표에서는 V S = 1 [V]에 대한 실제 이득 값을 보여준다. 이득이 1에 얼마나 가까운지, 입력 전압과 전류가 얼마나 작은지 보라.

OP-AMP BUFFER GAIN V in (mV) I (pA) LM324 0.999990 9.9999 9.9998 LMC6492 0.999980 19.999 1.9999 × 10-6 MAX4240 0.999950 49.998 1.1111 PA03 0.999992 7.9999 7.9999 × 10 -5

이 결과들을 이용하면 이득 특성 단순 모델 op-amp를 더 단순하게 만들 수 있다. AO와 Ri가 무한대이고 RO가 0인 이상적인 op-amp 모델이다. 다음 표는 op-amp를 해석하는 데 있어 두 가지 중요한 결과를 만들어 준다.

< 이상적인 op-amp 모델이 입력 단자 I/V 값에 미치는 결과 >

MODEL ASSUMPTION TERMINAL RESULT A O → ∞ input voltage → 0 [V] R i → ∞ input current → 0 [A]

이상 적인 op-amp 모델은 위의 표를 적용함으로써 다음과 같이 만들 수 있다.

Op-amp의 이상적인 모델

모델 파라미터 : i + = I – = 0, V + = V –

이 모델의 중요한 특성은 다음과 같다.

(1) R i 가 매우 크기 때문에 op-amp의 입력 전류는 거의 0이 된다. (즉 i + ≒ i – ≒ 0)

(2) 출력전압이 지속적으로 한정되려면 이득이 무한대로 접근함에 따라 입력 단자 양단에 걸리는 전압은 동시에 0으로 접근해야 한다. 따라서 A O → ∞, v + – v – →0 이다. (즉 v + – v – = 0 또는 v + = v – )

입력 전압 간의 차이는 op-amp에 대한 오차 신호라고 부른다. (즉 v + – v – = V e )

op-amp의 접지 단자는 신호 전류의 회귀에 필요하고 또한 키르히호프 전류 법칙이 op-amp와 접지 마디 모두에 성립되는 것을 보장한다. 요약하면 op-amp의 이상적인 모델은 다음과 같은 조건으로 표현할 수 있다.

i + = i – = 0

v + = v –

이 조건은 op-amp 회로 해석에서 기본이 되기 때문에 중요하다. 이제 이상적인 모델을 이용하여 단위 이득 버퍼를 다시 모델링한 것을 보겠다.

단위 이득 버퍼로 구성된 이상적인 op-amp

이 op-amp에서는 입력 전압차와 전류가 0으로 표시되었다. V in 이 0으로 주어질 때 op-amp의 입력의 전압은 둘 다 V S 이다. 반전 입력이 출력에 물리적으로 연결되어 있기 때문에 V O 도 V S 가 되어 단위 이득을 갖게 된다.

다음 회로는 이상적인 op-amp 모델에서 변형된 회로다.

부하 저항을 포함하는 단위 이득 버퍼

V S 와 R S 는 버퍼를 구동하는 회로의 등가 요소이고 R L 은 출력에 연결되는 회로를 모델링한다. 여기서 주목해야 할 3가지가 있다.

1. 이득은 여전히 1이다.

2. op-amp는 구동회로로부터 전류를 요구하지 않는다.

3. 출력 전류(I O =V O /R L )는 전원으로부터 공급받으며 op-amp를 통과하여 출력 핀을 나온다.

***

즉 부하 전류는 전류 출력 용량이 충분한 전원에서 나오고 그렇지 못할 수 있는 구동회로에서는 나오지 않음 이런 전류의 절연을 버퍼링이라 함.

전원 전압으로부터 전원을 공급받은 op-amp의 출력이 같다면(V O =V S ) 굳이 op-amp를 사용할 이유가 없을 것이다. 그러나 op-amp를 사용하는 이유는 이렇다.

이 경우 R S 에 전압 강하 때문에 V O 와 V S 는 같지 않다. 즉

V O = V S – IR S

이 회로에서는 op-amp의 입력 전류는 0이다. 따라서 V S 가 op-amp 입력에 나타난다. op-amp 구성상 이득이 1이기 때문에 V O =V S 이다. op-amp가 없는 예시 회로에서는 V O 와 V S 의 관계식을 보면 알듯이 저항 회로망과 전압원 간의 상호관계에 의하여 V O 가 V S 보다 작게 하였다. 즉 저항 회로망이 전압원에 부하를 가하게 된다.

그러나 이 회로는 op-amp가 전압원을 저항 회로망으로부터 절연시킨다. 따라서 이 전압 추종기(voltage follower)는 한 회로를 다른 회로로부터 절연시키는 데 사용될 수 있으므로 버퍼 증폭기라고 부른다.

두 회로 중 첫 번째 회로의 경우 저항 회로망에 제공되는 에너지는 V S 전압원에서 나오는 반면, 두 번째의 경우 증폭기에 공급되는 전원 전압으로부터 나오고 V S 로부터는 에너지를 공급받지 않거나 거의 공급받지 않는다.

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