OP앰프 입출력 신호의 스윙(전압범위)

OP앰프(연산 증폭기)는 비교적 사용하기 쉬운 동시에 높은 성능과 다기능성을 제공합니다. 단순화된 동작 모델과 기본 회로 토폴로지는 많은 응용 분야에서 충분히 정확하며, 복잡한 연산 증폭기 아키텍처도 시뮬레이션 소프트웨어 또는 설계 도구의 도움을 받아 빠르고 효과적으로 구현할 수 있습니다.

 

1. 신호 스윙 기초

그림의 단순화된 연산 증폭기 회로도를 고려하십시오. 전원 공급 장치 핀 또는 전원 전압이 표시되지 않으며 신호 스윙에 대한 제한을 나타내는 것은 없습니다.

 

단순화된 비반전 연산 증폭기

 

 

이 이상적인 환경에서 입력 신호와 출력 신호는 모든 양의 전압 또는 음의 전압으로 확장될 수 있습니다. 완전히 비현실적이지만 이 가정은 다음 두 가지 이유로 많은 응용 프로그램에서 매우 잘 작동합니다.

1. 입력 및 출력 신호는 연산 증폭기의 공급 전압 내에서 잘 유지되는 경우가 많습니다.
2. 회로는 신호가 지정된 전압 범위를 초과하는 경우에도 만족스러운 성능을 유지할 수 있습니다.

 

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실제 작동 중인 오퍼레이션 앰프는 신호 스윙에 항상 제약을 가합니다. 이러한 제약은 앰프의 전원 전압과 내부 회로에 의해 결정됩니다. 따라서 특정 애플리케이션에서 신호 스윙을 평가할 때는 보드 수준의 설계 변수와 오퍼레이션 앰프의 데이터시트에 설명된 기능 변수를 모두 고려해야 합니다.

 

연산 증폭기에 사용할 수 있는 입력 신호 스윙은 규격서에 나와 있지만 종종 "공통 모드 입력 범위" 또는 "공통 모드 전압 범위"와 같은 이름으로 불립니다. 

 

 

2. 공통 모드 입력 전압

연산 증폭기는 개방 루프 이득이 높은 차동 증폭기입니다. 네거티브 피드백을 사용하면 연산 증폭기를 게인이 낮거나 중간 정도인 단일 종단 증폭기로 쉽게 변환할 수 있습니다. 연산 증폭기가 네거티브 피드백 증폭기로 구성되면 한 입력 전압이 고정되어 있고 다른 입력 전압이 자유롭게 변하는 파형이라는 인상을 받더라도 두 입력 단자의 전압은 거의 동일합니다. 

 

반전 연산 증폭기

 

비반전 입력 단자는 항상 0V입니다. 결과적으로 반전 입력 단자는 저항을 통해 변동하는 입력 신호에 연결되었음에도 불구하고 0V에 매우 가까운 전압으로 유지됩니다. 이 현상을 가상 쇼트라고 합니다.

 

차동 증폭기의 입력 단자에 두 개의 전압을 인가한 다음 이 두 전압의 평균값을 취하면 증폭기의 공통 모드 입력 전압이 됩니다. 네거티브 피드백이 있는 연산 증폭기의 경우 두 입력 전압이 거의 동일하므로 공통 모드 전압은 두 입력 단자 중 하나에서 측정된 전압입니다.

 

 

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3. 입력 신호 스윙 사양

Texas Instruments의 OPAx277 연산 증폭기부터 시작하겠습니다. 표는 데이터시트에 기록된 사용 가능한 입력 신호 스윙을 보여줍니다. 살펴볼 각 데이터시트는 이 사양에 대해 약간 다른 용어를 사용하며, 여기서는 공통 모드 전압 범위라고 합니다.

 

OPAx277의 입력 신호 스윙 사양

매개 변수	최소	최대	단위
공통 모드 전압 범위(Vcm)	V-  + 2	V+ - 2	V

 

 

사용 가능한 입력 신호 스윙은 공급 전압에 따라 달라집니다. 이것이 한계값이 "V- + 2" 및 "V+ – 2"로 주어진 이유입니다. 이 값들은 입력 신호가 안전하게 다음과 같이 낮아질 수 있다는 것을 의미합니다:

• 저전압 파워 레일 위로 2V.
  
• 고압 파워 레일 아래 2 V.

 

많은 최신 연산 증폭기는 rail-to-rail 입력 성능을 제공하는데, 이는 입력 신호가 전원 전압에 매우 가깝게 확장될 수 있음을 의미합니다. Analog Devices의 LTC6252와 같은 일부 레일 투 레일 연산 증폭기는 공급 전압 레일을 완전히 포함하는 입력 범위를 갖습니다. 

 

 

LTC6252에 대한 입력 신호 스윙 사양

매개 변수	최소	최대	단위
입력 공통 모드 범위(Vcmr)	0	Vs	V

 

 

하지만 '레일 투 레일'이라는 용어는 조금 조심해야 합니다. 동일한 Rail-to-Rail Op Amps 제품 하위 카테고리에 나열된 아날로그 디바이스의 LT6023은 '정밀 레일 투 레일 출력 증폭기'로 설명됩니다. 여기서 핵심은 '레일 투 레일'이 '앰프'가 아니라 '출력'을 수정한다는 사실을 인식하는 것입니다. 아래 표에서  볼 수 있듯이 입력 단계에서는 레일 투 레일 성능이 제공되지 않습니다.

 

LT6023의 입력 신호 스윙 사양. 

매개 변수	최소	최대	단위
공통 모드 입력 범위(Vicm)	V- + 1.2	V+ - 1.4	V

 

 

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4. 과도한 신호 스윙의 영향

공통 모드 입력 범위를 준수하지 않으면 증폭기가 선형 입력-출력 관계를 제공하지 못하여 성능이 저하될 수 있습니다. 또한 과도한 신호 스윙으로 인한 비선형성은 완전히 예측할 수 없으며, 특정 연산 증폭기가 생성하는 왜곡의 양은 입력 신호의 주파수에 따라 달라질 수 있습니다. 테스트 중에 무해한 것으로 보이는 입력 범위 위반은 나중에 시스템이 다른 조건에서 작동할 때 문제가 될 수 있습니다.

 

아래 그림의 시뮬레이션 그림은 입력 범위 위반으로 인한 왜곡의 예를 보여줍니다. 시뮬레이션에 사용된 opamp는 LT1880으로 레일 간 출력이 있지만 입력 범위는 Vin(min) = V– + 1.0 ~ Vin(max) = V+ – 1.2입니다. V– = – 2.5 V 및 V+ = 2.5 V를 사용했기 때문에 이론적으로 허용되는 입력 스윙은 –1.5 V에서 1.3 V 사이여야 합니다.

 

연산 증폭기의 입력 신호 스윙 사양 미준수 공통 모드 입력 전압과 관련된 시뮬레이션된 왜곡

 

 

비선형성으로 인한 왜곡이 모든 응용 분야에서 치명적이지는 않을 수 있지만 안전한 편에 서서 회로가 항상 입력 스윙 제한을 준수하도록 하는 것이 좋습니다. 이는 일반적으로 큰 어려움 없이 수행할 수 있으며, 전원 전압을 조정하거나 레일-투-레일 연산 증폭기를 선택하는 것만으로도 입력 범위 위반을 방지할 수 있습니다.

 

연산 증폭기는 수많은 아날로그 설계의 기본입니다. 모든 실제 연산 증폭기는 입력 신호의 허용 전압 범위(입력 신호 스윙)와 출력 신호의 사용 가능한 전압 범위(출력 신호 스윙)에 제한을 둡니다.

 

 

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출력 전압 사양은 출력 신호가 포화 한계에 도달하는 지점을 나타내며, 이는 전압이 해당 공급 레일에 더 가까워질 수 없음을 의미합니다. 그런 다음 신호를 "클리핑"이라고 합니다. 신호 클리핑의 예는 2.5V 및 –2.5V로 구동될 때 LT1880 연산 증폭기의 시뮬레이션된 출력 포화를 보여주는 아래 그림에서 볼 수 있습니다.

 

연산 증폭기 출력 포화는 클리핑된 신호를 생성

 

 

포화는 입력 파형과 출력 파형 간의 대응을 완전히 상실하게 합니다. 그러나 포화점에 도달하기 전에도 출력 스윙 성능이 저하될 수 있습니다. 매우 낮은 왜곡이 필요한 응용 분야는 출력 신호가 데이터시트에 지정된 한계에 가까워질 때 발생하는 미묘한 비선형성에 의해 부정적인 영향을 받을 수 있습니다.

 

시뮬레이션이나 실험실 테스트를 사용하여 왜곡 성능이 허용 가능한지 확인할 수 없는 경우 출력 신호가 포화 한계에서 수백 밀리볼트 떨어져 있어야 한다고 가정하는 것이 좋습니다.

 

 

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5. 데이터시트 읽기

아래표는  Analog Devices의 LT1880에 대한 출력 스윙 사양을 제공하며, 이 제품은 위에서 시뮬레이션한 것과 동일한 연산 증폭기입니다. Analog Devices는 이 연산 증폭기가 레일 투 레일 출력 스윙을 제공한다고 설명합니다.

 

LT1880의 출력 신호 스윙

 

 

이 표를 읽을 때는 다음 사항에 유의하세요.

• VOL 값은 V-공급 레일(0 V)에 대한 스윙을 나타냅니다. VOH도 마찬가지로 V+와 관련하여 제공됩니다.
  
• "일반" 및 "최대" 열은 일반 및 최대 출력 전압을 설명하지 않고 출력 전압 편차를 설명합니다.
  
• 방향이 아니라 편차의 양만 주어집니다.

 

아래의 두 방정식은 각각 지정된 출력 전압 범위의 상한과 하한을 나타냅니다.

 

 

 

이 방정식들은 제조업체들이 "레일 투 레일"라는 용어를 다소 느슨하게 사용한다는 것을 상기시켜줍니다. 부하 전류가 없어도 출력이 어느 쪽 전압 레일까지 스윙할 수 없으며, 출력 전류가 증가하면 격차가 크게 벌어집니다. 

 

 

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출력 스윙 플롯

출력 스윙 한계를 설명할 때 데이터시트 사양표는 부하-전류 조건의 몇 가지 예만 사용합니다. 연산 증폭기의 출력 스윙 능력에 대한 보다 완전한 그림은 데이터시트에 포함된 성능 플롯을 조사하여 얻을 수 있습니다.

 

예를 들어, 아래 그림은은 Analog Devices의 두 가지 서로 다른 연산 증폭기(LT1224 및 LT6023)의 출력 스윙 특성을 보여줍니다.

 

LT1224의 출력 전압 스윙 대 부하 저항

 

 

LT6023의 출력 포화 전압 대 부하 전류

 

 

LT1224의 규격서는 부하 저항에 대한 피크 대 피크 전압 스윙을 제공합니다. 대조적으로, LT6023의 규격서는 전압 스윙 대신 포화 한계와 공급 전압 간의 차이로 보이는 "포화 전압"을 제공합니다. 또한 저항이 아닌 전류를 독립 변수로 사용합니다.

 

아래 그림은 Texas Instruments OPAx277의 규격서에서 발췌한 것으로, 다른 시각적 형식을 사용하여 전압 스윙과 전류를 비교한 것입니다.

 

OPAx277의 출력 전압 스윙 대 출력 전류

 

 

 

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6. 출력 스윙 vs. 부하 전류

출력 파형에 사용할 수 있는 전압 범위는 모든 작동 조건에서 유효한 단일 사양이 아닙니다. 대신, 연산 증폭기가 소싱하거나 싱킹하는 전류의 양에 크게 영향을 받습니다. 출력 단자를 통해 더 많은 전류가 흐를수록 연산 증폭기의 전력 노드와 출력 노드 사이에 연결된 반도체 구성 요소에서 더 많은 전압이 떨어집니다.

 

부하 임피던스와 출력 범위 사이의 관계는 출력 단계에 사용되는 반도체 기술에 따라 다릅니다. 예를 들어, 아래그림은 TL08x 집적 회로에 사용되는 연산 증폭기의 단순화된 회로도를 보여줍니다. 입력 단계는 전계 효과 트랜지스터를 사용합니다. 출력단은 상보적인 바이폴라 트랜지스터를 사용합니다.

 

 

TL08x 연산 증폭기의 단순화된 회로도

 

 

바이폴라 출력단은 일반적으로 출력 전압과 공급 레일 사이에 최소 200mV(바이폴라 접합 트랜지스터의 대략적인 포화 전압)가 필요합니다. CMOS 출력단은 훨씬 더 낮은 드레인-소스 전압을 제공할 수 있지만 부하-전류 의존성이 더 심각합니다. 이는 NMOS 또는 PMOS 트랜지스터의 채널이 저항기처럼 작동하여 부하 전류가 증가함에 따라 점점 더 많은 전압을 떨어뜨리기 때문입니다. 바이폴라 트랜지스터의 포화 전압은 저항 작동 모드에서 발생하지 않으므로 출력 전류에 대해 비교적 안정적입니다.