앰프 종류: 연산 증폭기 vs 차동 증폭기 vs 계측 증폭기

증폭기는 신호의 세기를 증가시켜 더 효과적으로 처리, 측정 또는 전송할 수 있도록 하는 전자 회로입니다. 아날로그 시스템에서는 센서, 오디오 소스, 제어 회로에서 오는 신호가 직접적으로 사용하기 어렵기 때문에, 증폭기를 사용해 전압 레벨을 올리고 신호 품질을 개선하며 다음 단계로 신호를 준비합니다. 연산 증폭기, 차동 증폭기, 계측 증폭기는 각각 신호를 다르게 처리하며 다양한 상황에서 사용됩니다. 이 글에서는 이 세 가지 증폭기 유형을 비교하며, 작동 원리와 차이점, 그리고 실제 적용에 적합한 증폭기를 선택하는 방법을 설명합니다.

연산 증폭기란 무엇인가요?

연산 증폭기, 또는 연산증폭기는 두 입력 전압 간의 차를 증가시키고 하나의 출력 전압을 생성하는 전자 증폭기입니다. 입력 단자는 두 개로 구성되어 있습니다: 반전 입력(+)과 반전 입력(−). 출력은 이 두 입력 간의 전압 차이에 따라 변합니다.

실용적인 회로에서는 연산 증폭기가 일반적으로 저항기나 커패시터와 같은 외부 피드백 부품과 함께 사용됩니다. 이 부품들은 회로의 이득, 안정성, 대역폭 및 전반적인 동작을 제어합니다. 연산 증폭기의 기본 개념은 다음과 같이 표현할 수 있습니다:

Vout = Aol(V+ − V−)

여기서 Vout은 출력 전압, Aol은 오픈 루프 이득, V+는 비반전 입력 전압, V−는 반전 입력 전압입니다. 실제 응용에서는 매우 높은 오픈 루프 이득이 보통 음의 피드백으로 제어되어 회로가 안정적이고 예측 가능한 출력을 낼 수 있습니다.

차동 증폭기란 무엇인가요?

차동 증폭기는 두 입력 전압 간 차이를 증가시키고 두 입력에 동일하게 나타나는 신호를 줄입니다. 이러한 동일한 신호를 공통 모드 신호라고 합니다. 이 때문에 차동 증폭기는 중요한 신호가 접지에 대한 단일 신호가 아니라 두 지점 간의 전압 차이일 때 유용합니다.

기본 차동 증폭기는 두 개의 입력(흔히 V1과 V2라고 불림)과 하나의 출력을 가집니다. 출력은 두 입력 간의 차이에 따라 달라집니다. 만약 두 입력이 잡음이나 간섭으로 함께 상승하거나 하강하면, 증폭기는 그 공유 신호를 거부하고 유용한 차이만 증폭하려고 합니다.

기본 아이디어는 다음과 같이 표현할 수 있습니다:

Vout = Ad(V2 − V1)

여기서 Vout는 출력 전압, Ad는 차동 이득, V2 − V1은 두 입력 신호 간의 전압 차이입니다.

계측 증폭기란 무엇인가요?

계측 증폭기는 매우 작은 차동 신호를 증폭하면서 두 입력에서 동일하게 나타나는 잡음이나 원치 않는 신호는 차단하도록 설계된 정밀 증폭기입니다. 이 방법은 센서에서 신호가 나올 때 일반적으로 사용되는데, 많은 센서가 약한 전압 변화를 발생시켜 정확한 증폭이 필요하기 때문입니다.

계측 증폭기는 두 개의 입력 단자와 보통 하나의 출력 단자를 가지고 있습니다. 차동 증폭기처럼 두 입력 전압 간의 차이를 증폭합니다. 하지만 기본 차동 증폭기보다 더 높은 입력 임피던스, 더 나은 공통 모드 제거, 더 안정적인 이득을 제공합니다. 이로 인해 센서 부하를 방지하고 측정 정확도가 향상됩니다.

기본 아이디어는 다음과 같이 표현할 수 있습니다:

Vout = G(V2 − V1)

여기서 Vout는 출력 전압, G는 증폭기 이득, V2 − V1은 차동 입력 전압입니다.

연산 증폭기 vs 차동 증폭기 vs 계측 증폭기

고려해야 할 주요 증폭기 성능 요소

게인 설정 및 게인 정확도

게인 설정은 증폭기의 출력 게인이 어떻게 제어되는지를 설명하고, 게인 정확도는 실제 게인이 기대값과 얼마나 가까운지를 설명합니다.

• 연산 증폭기 회로에서는 보통 외부 피드백 저항에 의해 이득이 설정됩니다. 예를 들어, 비반전 연산 증폭기는 피드백 경로 주변의 저항비를 이용해 게인을 설정합니다. 이로 인해 연산 증폭기는 매우 유연하며, 같은 장치를 버퍼링, 저이득, 고이득, 필터링, 신호 조절 등에 사용할 수 있습니다.

• 차동 증폭기에서는 이득이 저항비에 따라 달라지지만, 저항 매칭이 더 중요해집니다. 저항 비율이 밀접하게 맞지 않으면 증폭기가 이득 오차와 공통 모드 제거 약화를 일으킬 수 있습니다. 정밀 차동 회로에서는 설계자들이 표준 1% 저항 대신 0.1% 또는 0.01% 부품과 같은 엄격한 공차 저항기를 자주 사용합니다.

• 계측 증폭기에서는 이득이 종종 외부 저항 하나나 내부 이득 설정 네트워크에 의해 설정되어 센서 및 측정 회로에서 안정적인 이득을 달성하기 쉽습니다. 아날로그 디바이스는 연산 증폭기가 여러 외부 부품을 통해 구성되는 반면, 계측 증폭기는 일반적으로 하나의 저항이나 선택 가능한 이득 탭을 통해 이득을 내도록 구성된다고 밝혔습니다.

공통 모드 제거 및 잡음 제거

공통 모드 거부는 증폭기가 두 입력에 동시에 나타나는 신호를 얼마나 잘 거부하는지를 설명합니다. 이는 실제 회로가 종종 전력선, 모터, 스위칭 전원 공급 장치, 긴 센서 와이어 또는 인근 디지털 회로에서 발생하는 공유 잡음을 포착하기 때문에 중요합니다. 증폭기가 공통 모드 제거가 좋지 않으면 원치 않는 잡음이 출력에 나타나 신호 정확도를 떨어뜨릴 수 있습니다.

• 연산 증폭기는 공통 모드 신호를 거부할 수 있지만, 실제 성능은 회로 구성과 피드백 설계에 따라 달라집니다.

• 차동 증폭기는 두 입력 간 차이를 증폭하도록 특별히 제작되었으나, CMRR은 저항 매칭에 크게 의존합니다. 저항 네트워크가 균형이 맞지 않으면 공통 모드 잡음 제거가 약해집니다.

• 계측 증폭기는 잡음이 많은 환경에서 작은 차동 신호를 위해 설계되어 보통 가장 강한 공통 모드 거부 효과를 제공합니다. 많은 정밀 센서 응용 분야에서 계측 증폭기는 게인과 장치 유형에 따라 약 80 dB에서 120 dB 이상까지 CMRR 값을 가질 수 있습니다.

이 때문에 브리지 센서, 열전대, 의료 또는 산업 측정 신호에 선호되는 경우가 많습니다. Analog Devices는 계측기 증폭기를 고입력 임피던스와 공통 모드 제거가 필요한 곳에서 일반적으로 사용되는 차동 입력 이득 블록으로 설명합니다.

입력 임피던스 및 소스 부하

입력 임피던스는 증폭기가 신호원에 얼마나 영향을 미치는지를 나타냅니다. 입력 임피던스가 높으면 증폭기가 소스에서 거의 전류를 받지 않아 원래 신호가 더 잘 보존됩니다. 낮은 입력 임피던스는 소스에 부하를 걸어 측정된 전압을 감소시키고, 증폭이 시작되기 전에 신호 오류를 만들 수 있습니다.

• 연산 증폭기는 일반적으로 입력 임피던스가 높으며, 특히 CMOS 및 JFET 입력 타입이 그렇습니다. 이로 인해 전압 버퍼링과 일반적인 신호 조건화에 유용합니다.

• 차동 증폭기는 입력 신호가 종종 저항 네트워크를 통과하기 때문에 유효 입력 임피던스가 낮을 수 있습니다. 이는 소스 신호가 약하거나 고임피던스 센서에서 나올 때 문제가 될 수 있습니다.

• 계측 증폭기는 보통 두 입력 모두에 매우 높고 균형 잡힌 입력 임피던스를 제공하여 센서 부하를 방지하는 데 도움을 줍니다.

오프셋, 드리프트, 측정 정확도

오프셋 전압은 증폭기 입력에서 발생하는 작은 원치 않는 전압 오류입니다. 두 입력 신호가 같아도 실제 증폭기는 내부 불균형으로 인해 작은 출력 오류를 낼 수 있습니다. 이 오차는 마이크로볼트 레벨이나 밀리볼트 레벨 센서 출력과 같은 매우 작은 신호를 측정할 때 더 심각해집니다.

드리프트란 온도가 시간에 따라 변함에 따라 오프셋이나 이득이 변한다는 뜻입니다. 이는 산업, 자동차, 정밀 측정 회로에서 중요한데, 증폭기가 일정한 온도를 유지하지 않을 수 있기 때문입니다. 일반적인 연산 증폭기는 기본 신호 조건화에 적합할 수 있지만, 오프셋과 드리프트가 매우 낮아야 할 때 정밀 연산 증폭기와 계측 증폭기가 더 적합합니다. 예를 들어, 일부 제로 드리프트 정밀 연산 증폭기는 소자에 따라 서브 마이크로볼트 범위의 오프셋 전압과 0.005 μV/°C까지 낮은 오프셋 드리프트를 가질 수 있습니다. TI의 OPAx189 정밀 증폭기 계열은 정밀 신호 측정을 위해 매우 낮은 오프셋 및 드리프트 값을 나열한 예입니다.

대역폭, 슬루 속도 및 신호 응답

대역폭은 증폭기가 큰 신호 손실 없이 처리할 수 있는 주파수 범위를 나타냅니다. 슬루 속도는 출력 전압이 얼마나 빠르게 변할 수 있는지를 나타내며, 보통 V/μs 단위로 측정됩니다. 이 두 가지 요인이 증폭기가 빠르게 변화하는 입력 신호를 정확히 따라갈 수 있는지를 결정합니다. 대역폭이 너무 낮으면 고주파 신호가 약해집니다. 슬루 속도가 너무 낮으면 신호가 빠르게 변할 때 출력이 왜곡되어 보일 수 있습니다.

연산 증폭기의 경우, 대역폭은 종종 이득-대역폭 곱과 관련이 있습니다. 즉, 폐쇄 루프 이득이 증가할수록 사용 가능한 대역폭은 보통 감소합니다. 예를 들어, 전압 피드백 연산증폭 연산증폭 장치가 10 MHz의 이득 대역을 가지면, 이득 1에서는 약 10 MHz 대역폭을 제공할 수 있지만, 이득 10에서는 약 1 MHz 정도만 제공할 수 있습니다. 폐루프의 이득과 대역폭 곱은 많은 전압 피드백 연산 증폭기에서 중요한 장점 지표입니다.

차동 및 계측 증폭기도 특히 이득이 높은 경우 대역폭 제한이 있습니다. 계측 증폭기는 매우 빠른 속도보다는 정밀도와 잡음 제거에 최적화되어 있어 이득이 증가할수록 대역폭이 좁아질 수 있습니다. 빠른 신호를 원한다면 데이터시트에서 대역폭과 슬루 레이트 둘 다 확인해 보세요. 고속 증폭기 설계에서 왜곡을 피하기 위해 최대 출력 신호 주파수보다 보통 최대 출력 대역폭이 몇 배 높아야 합니다

각 증폭기 유형의 실제 적용

연산 증폭기 응용

연산 증폭기는 회로가 유연한 신호 제어가 필요할 때 널리 사용됩니다. 약한 전압 신호를 증폭하거나, 한 회로 단계를 다른 단계에서 버퍼링하거나, 원치 않는 주파수를 필터링하거나, ADC, 마이크로컨트롤러 또는 다른 아날로그 회로로 전달되기 전에 신호를 조정할 수 있습니다. 이득과 함수는 외부 피드백 부품에 의해 설정되기 때문에, 하나의 연산 증폭기 IC가 다양한 회로 역할을 지원할 수 있습니다.

대표적인 예로는 LM358이 있습니다. 이는 비용 민감한 아날로그 회로에서 자주 사용되는 이중 연산 증폭기입니다. 텍사스 인스트루먼트는 LM358을 듀얼, 30V, 700kHz 연산 증폭기로 분류하여 일반 신호 조절, 저주파 증폭, 센서 인터페이스 회로, 기본 아날로그 제어 시스템에 적합합니다. 예를 들어, LM358은 마이크로컨트롤러가 읽기 전에 작은 센서 전압을 증폭하는 데 사용될 수 있고, 다음 회로 단계가 신호원에 부하를 걸지 않도록 전압 버퍼 역할을 할 수도 있습니다.

연산 증폭기는 액티브 필터, 오디오 프리앰프, 전압 팔로워, 전원 공급 장치의 오류 증폭기, 비교기와 유사한 신호 검출 회로에서도 흔히 사용됩니다. 회로가 최고 정밀도 측정 성능보다는 유연성이 필요할 때 보통 가장 적합한 선택입니다.

차동 증폭기 응용

차동 증폭기는 회로가 접지에 대해 한 전압을 측정하는 대신 두 전압 점 간 차이를 측정해야 할 때 사용됩니다. 이로 인해 전류 감지, 전압 감산, 균형 잡힌 신호 수신, 모터 제어 피드백, 그리고 양쪽 입력선에 원치 않는 잡음이 발생하는 회로 등에서 유용합니다. 전압 차이에 집중함으로써 차동 증폭기는 공유 잡음을 줄이고 유용한 신호를 추출할 수 있습니다.

실제 IC 예로는 Analog Devices의 AD8276이 있습니다. AD8276은 저전력 응용에서 정밀 신호 조건화를 위해 설계된 유니티 이득 차분 증폭기입니다. 이 앰프에는 레이저 트리밍된 내부 저항기가 포함되어 있어 단순한 이산 저항 차동 증폭기보다 이득 정확도와 공통 모드 제거 성능을 향상시킵니다. Analog Devices는 AD8276/AD8277을 86 dB의 공통 모드 제거비와 낮은 게인 드리프트를 가진 범용 차분 증폭기로 분류하고 있습니다.

실제 회로에서는 AD8276과 같은 장치가 전류 감지, 정밀 전압 측정, 단일 종단에서 차동 변환, 산업용 신호 조절에 사용될 수 있습니다. 설계자가 두 신호 간 정확한 뺄셈이 필요하지만, 계측기 증폭기의 완전한 센서 측정 성능이 필요하지 않을 때 유용합니다.

계측 증폭기 응용

계측 증폭기는 회로가 매우 작은 차동 신호를 정확히 측정해야 할 때, 특히 잡음이 존재할 때 사용됩니다. 이들은 높은 입력 임피던스, 안정적인 이득, 강력한 공통 모드 제거를 제공하기 때문에 센서 시스템에서 흔히 사용됩니다. 이로 인해 증폭 전에 약한 센서 신호가 적재되거나 왜곡되는 것을 방지할 수 있습니다.

대표적인 예로는 텍사스 인스트루먼트의 INA333이 있습니다. INA333은 정확한 신호 측정을 위해 설계된 저출력 정밀 계측 증폭기입니다. TI는 3연산 증폭기 계측기 설계를 사용하며, 단일 외부 저항으로 게인을 설정할 수 있다고 명시합니다. 이로 인해 작은 신호가 깨끗한 증폭이 필요한 휴대용 및 센서 기반 응용 분야에 유용합니다.

계측 증폭기는 종종 부하 셀, 스트레인 게이지, 브리지 센서, 열전대, 압력 센서, 생체 의학 센서, 데이터 수집 시스템과 함께 사용됩니다. 예를 들어, 부하 셀은 무게가 가해질 때 밀리볼트 수준의 신호만 생성할 수 있습니다. INA333과 같은 계측기 증폭기는 센서 와이어가 잡는 잡음을 차단하면서 그 작은 차동 신호를 증폭할 수 있습니다.

실제 예시 증폭기 선택

결론

연산 증폭기, 차동 증폭기, 계측 증폭기는 각각 서로 다른 신호 요구를 충족합니다. 유연한 증폭, 버퍼링, 필터링, 일반적인 신호 조건화를 위해 연산 증폭기를 사용하세요. 회로가 두 전압 지점을 비교하거나 공유 잡음을 줄여야 할 때는 차동 증폭기를 사용하세요. 매우 작은 센서 신호를 측정할 때는 계측 증폭기를 사용하세요. 이 신호는 높은 정확도, 높은 입력 임피던스, 강한 잡음 차단이 필요합니다. 적절한 증폭기를 선택하는 것은 신호 종류, 잡음 수준, 정확도, 속도, 회로 요구사항에 따라 달라집니다.