OP AMP란? CMRR, PSRR, Slew rate, Offset voltage

안녕하세요

오늘은 OP AMP에 대해서 공부하고 정리해보겠습니다

 

OP amp(Operational Amplifier: 연산증폭기)는 입력 단자가 2개이고 출력단자가 1개 또는 2개인 전압 증폭기로서,

두 입력 단자 전압의 차이 값인 차동 입력전압(differential input voltage)만을 증폭시켜 전압으로 출력시킵니다.

연산증폭기를 사용해 사칙연산이 가능한 회로 구성을 할 수 있어 연산자의 의미로 연산 증폭기라고 부릅니다.

 

그리하여 두 입력 단자 전압의 공통 값인 공통모드(Common mode) 전압은 출력으로 나타나지 않고

두 입력 단자 전압의 차이 값인 차동모드(differential mode)전압 만이 증폭되어 출력으로 나타나므로,

두 입력 단자 선에 유기되는 공통모드 노이즈의 영향이 제거됩니다.

 

이와 같이 차동모드 입력전압 성분만을 증폭시키고 공통모드 입력전압 성분을 제거하기 위해

OP amp의 입력단은 차동증폭기(differential amplifier)로 구성됩니다.

 

single-ended OP amp : 출력 단자가 한개인 OP

fully differential OP amp : 출력 단자가 두 개인 OP amp

 

*이상적인 OP amp

신호 주파수에 무관하게 차동모드 전압이득은 무한대

공통모드 전압이득은 0

입력저항 무한대

출력저항 0

 

CMRR이란?

CMRR은 공통모드제거비 (Common mode Rejection Ratio)로

차동증폭기에서 공통모드 신호를 제거하는 능력을 나타내는 파라미터입니다.

위에 말씀드린 것과 같이 두 입력 단자의 공통값을 공통모드 전압이라고 하는데

이 신호는 감쇠시킵니다 그 감쇠비율이 바로 CMRR인것이죠.

CMRR 식 

(단위 : 데시벨) Ad:차동모드이득 Ac:공통모드이득

 

공통 모드 신호가 측정기에 얼마만큼 나타내는지 보여주는 척도이기 때문에 매우 중요한데

CMRR은 전송선로의 노이즈를 줄이는데 중요하고 높을수록 좋은 차동증폭기가 됩니다.

예를 들어, CMRR이 매우 높다면 두 입력단에 동일하게 유입되는 외부 노이즈는

별도의 필터없이 높은 비율로 걸러 내어집니다.

소음이 심한 환경에서 열전대로 측정할 때 노이즈는 두 개의 입력에서 오프셋으로 나타나고

공통모드 전압 신호가 됩니다. 따라서 측정기의 CMRR은 오프셋이나 노이즈를 감소시키는데에 중요한 역할을 합니다.

이상적인 차동증폭기는 원하는 신호 입력에 대해 매우 높은 이득을 제공하지만 공통모드 이득은 1보다 훨씬 작습니다.

또한 CMRR의 크기는 신호의 주파수와도 관련이 있습니다.

 

이 CMRR을 높이는 귀재가 바로 차동증폭기!

공통모드란 같은 기준선에 있다고 생각해보면 그라운드노이즈 정도에 해당하는데

CMRR이 좋다는 것은 그라운드에서 뜨는 잡음신호를 제거하는데 무척 탁월하다는 뜻이고

이를 위해 차동증폭기가 적격이라는 말이 되겠죠.

 

 

 

PSRR이란?

PSRR이란 전원전압 변동 제거비 (Power Supply Rejection Ratio) 입니다.

공급 전압의 변화와 생성되는 차동 출력 전압의 비율을 말하는데

이상적인 연산증폭기는 무한 PSRR을 가집니다.

 

 

PSRR특성이란 아래와 같이 Power(VDD or Ground)가 흔들릴때 출력이 얼마나 흔들리는지 그 비를 나타내는 파라미터로

보통 Unit Gain Feedback 형태로 구성하여 시뮬레이션 합니다

 

수식적으로는 Gain이 높을수록 PSRR 특성이 좋게 나타납니다.

VDD변동에 대한 출력 변화는 PSRR+, VSS변동에 대한 출력 변화는 PSRR-라고 말합니다

Gain이나 Bias회로의 ro가 클수록 좋고

Power noise는 일종의 공통모드 노이즈이기 때문에 CMRR 특성이 좋으면 PSRR특성도 좋습니다.

 

 

입력Offset전압?

Offset Voltage란 OP AMP의 두 입력단자를 서로 연결한 후 연결된 두 단자를 접지 시켰을 때

출력전압은 0이 되어야하지만 실제로 OPAMP는 0이 아닌 직류 전압이 나타납니다.

이를 offset전압이라고 하는데 입력 한 단자에 가상적인 직류전압을 연결한 후에

그 크기를 조절하면 출력에 나타난 offset 전압이 0이 되게 할 수 있고

이 때 입력에 인가한 가상 직류전압의 크기를 offset 전압이라고 부릅니다.

 

입력 offset 전압은

Fully Differential AMP에서는 DC출력 전압을 0으로 만들기 위해 인가되어야 하는 DC 차동 입력전압값

Single ended AMP는 VDD/2의 출력전압을 만들기 위해 인가되어야 하는 DC 차동 입력전압값입니다.

 

 

Slew Rate란?

Slew rate란 출력 전압의 시간 최대 변화율을 말합니다.

OP AMP의 동작 속도를 나타내는 파라미터로 출력 전압이 입력 신호에

얼마나 빨리 응답하며 변화할 수 있는지 확인할 수 있습니다.

OP AMP의 출력 단자를 반전 단자에 직접 연결시키면 이는 전압이득이 1인 증폭기가 됩니다.

이 연결 상태에서 비반전 입력단자에 신호를 연결한 후에 출력 전압의 시간에 따른 변화를 관측합니다.

위 그래프에서 보시다시피 Slew rate란 step입력에 따른 회로가 출력 전압의 기울기를 의미하며 단위는 V/s (전압/시간)입니다.

또한 Slew rate는 I와 C에 비례하는데 I는 바이어스 전류 그리고 C는 loading 및 Parasitic Capacitance입니다.

일반적으로 SR이 높을수록 좋지만 반드시 그렇지만은 않습니다.

따라가는 것이 너무 빠르면 멈출 때 바로 멈추지 못하기 때문인데 이 때 발생하는 현상이 overshoot / undershoot 입니다.

하지만 알아야하는 것은 Slew rate는 외부에 Cap을 달아서 얼마든지 낮출 수 있지만 원래 낮은 SR을 높일 수는 없습니다

그러므로 충분한 SR을 가진 OP AMP를 선택한 다음에 필요이상으로 높으면 깎아주는 것이 정석입니다.

 

 

제가 공부하고 있는 공대 대학원생 브이로그도 보러오세요 :)

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