연산 증폭기(Op Amp)란? 동작 원리, 역할, 선택 방법 및 비교기(Comparator)와의 차이

OP Amp의 구조

먼저 OP Amp가 입력단자의 전압차를 어떻게 다루고, 부귀환을 통해 회로 동작을 어떻게 정하는지 확인합니다. 단자나 내부 회로의 세부 내용으로 들어가기 전에, 차동 전압의 증폭, virtual short, 전압 폴로어의 동작을 통해 기본적인 개념을 정리합니다.

2개의 입력단자 사이 전압차를 증폭한다

여기서는 OP Amp가 무엇을 입력으로 보는지 확인합니다. 중요한 것은 +입력단자와 -입력단자 각각의 전압 자체가 아니라, 두 입력단자 사이에 생기는 차동 전압입니다.

OP Amp는 +입력단자와 -입력단자 사이의 미세한 차동 전압을 증폭하여 출력합니다. 따라서 OP Amp에는 높은 증폭률이 요구됩니다.

+입력단자와 -입력단자에 같은 전압이 인가되어 있을 뿐이라면, 이상적으로는 출력 변화가 생기지 않습니다. 출력을 결정하는 것은 두 입력의 차이며, 어느 쪽 입력이 더 높은지에 따라 출력의 방향이 달라집니다.

다만 OP Amp 자체의 개방 이득은 매우 크기 때문에 부귀환 없이 사용하면 출력이 전원전압 부근으로 쉽게 포화됩니다. 따라서 실제 증폭 회로에서는 외장 저항 등으로 부귀환을 구성하여 필요한 이득으로 조정해서 사용합니다.

부귀환과 virtual short

OP Amp는 개방 이득이 매우 크므로 입력단자 사이에 작은 전압차만 있어도 출력이 크게 변합니다. 그대로는 출력이 전원전압 부근으로 쉽게 포화되기 때문에, 실제 증폭 회로에서는 출력의 일부를 -입력단자로 되돌리는 부귀환을 사용하여 필요한 이득과 동작으로 조정합니다.

부귀환이 올바르게 동작하고 선형 동작 범위에 있을 때, OP Amp의 출력은 +입력단자와 -입력단자의 전위차를 작게 만드는 방향으로 변합니다. 그 결과 두 입력단자는 실제로 연결되어 있지 않아도 전위가 거의 같은 것으로 생각할 수 있습니다. 이 근사를 virtual short라고 합니다.

virtual short는 부귀환이 걸려 있고 충분한 루프 이득이 있으며, 입력 동상 전압 범위와 출력 스윙 범위를 벗어나지 않을 때 사용할 수 있는 개념입니다. 부귀환을 걸었다고 해서 반드시 안정되는 것은 아니며, 대역, 위상 여유, 부하 용량, 배선이나 기판의 기생 성분에 따라 발진이나 응답의 흐트러짐이 생길 수 있습니다. 다음 전압 폴로어에서는 이 개념을 구체적인 회로로 확인합니다.

전압 폴로어로 보는 기본 동작

부귀환과 virtual short의 관계는 전압 폴로어를 보면 구체적으로 이해하기 쉽습니다. 여기서는 입력전압을 그대로 출력으로 전달하는 회로를 예로 들어, 개방 이득이 충분히 클 때 출력 오차가 작아지는 개념을 확인합니다.

전압 폴로어 회로는 출력단자를 -입력단자로 직접 되돌리는 부귀환 회로입니다. 조건을 만족하는 범위에서는 +입력단자에 인가한 입력전압을 따라가도록 출력이 변하고, 입력전압과 출력전압이 거의 같아집니다. 전압 이득은 거의 1배이지만, 높은 입력 저항과 낮은 출력 저항을 살려 전압 버퍼로서 신호를 다음 단으로 전달할 수 있습니다.

이 회로에서는 출력전압이 -입력단자로 되돌아가므로, 입력단자 사이의 차동 전압은 V_S–V_OUT으로 생각할 수 있습니다. OP Amp는 이 차동 전압을 개방 이득 A_V로 증폭하므로, 출력전압은 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.

\(V_{OUT} = A_V × (V_{IN+} – V_{IN-}) = A_V × (V_S – V_{OUT})\)

따라서

\(V_S-V_{OUT} = \displaystyle\frac{V_S}{1+A_V}\)

개방 이득 A_V가 충분히 큰 범위에서는 식의 좌변에 해당하는 차동 전압 V_S–V_OUT을 0에 가까운 값으로 취급할 수 있으므로, V_S=V_OUT으로 근사할 수 있습니다. 이는 입력과 출력이 완전히 같다는 뜻이 아니라, 유한한 개방 이득이나 입력·출력 범위, 부하 조건에 따라 오차가 남을 수 있다는 의미입니다.

OP Amp에 높은 개방 이득이 요구되는 이유는 이 오차를 가능한 한 작게 하기 위해서입니다. 다른 관점에서 보면, 부귀환이 올바르게 동작함으로써 +입력단자와 -입력단자의 전위차가 작아지고, 앞 절에서 설명한 virtual short로 다루기 쉬워집니다.

전압 폴로어에서는 이러한 성질에 의해 전압 이득을 거의 1배로 유지하면서 신호원에 대한 부담을 줄이고 후단으로 신호를 전달할 수 있습니다. 다만 사용하는 OP Amp가 유니티 게인 안정인지, 용량성 부하에서 발진하지 않는지는 데이터시트에서 확인해야 합니다.

OP Amp의 구성과 원리

여기서는 OP Amp를 외부에서 보았을 때의 단자 구성, 이상 모델, 내부 회로의 역할을 확인합니다. 구조 장에서 본 동작이 어떤 단자, 입력단, 이득단, 출력단에 의해 성립하는지 정리합니다.

OP Amp의 단자 구성과 전원단자명

OP Amp를 사용할 때 처음에 헷갈리기 쉬운 것은 어느 단자에 신호를 넣고 어느 단자에 전원을 연결하는가입니다. 여기서는 회로도와 데이터시트를 읽기 위한 전제로서, 1회로당 기본 단자와 전원단자명을 확인합니다.

OP Amp는 1회로당 정측 전원단자, 부측 전원단자, +입력단자, -입력단자, 출력단자의 5개 단자로 구성됩니다.

※일반적으로 단자의 명칭은 전원, 입력, 출력이라는 분류 이외에는 통일되어 있지 않습니다.

이상적 OP Amp의 입력 저항과 출력 저항

다음으로 신호원이나 부하에 불필요한 영향을 주지 않는 OP Amp가 무엇인지 이상 모델로 확인합니다. 높은 입력 저항과 낮은 출력 저항은 센서 신호를 무너뜨리지 않고 받아서 후단으로 전달하기 위한 기본 조건입니다.

OP Amp에 요구되는 기능으로 높은 입력 저항(임피던스)과 낮은 출력 저항이 있습니다. 아래 그림 【전압 제어 전압원 증폭기 모델】에서 입력전압과 출력전압의 관계는 다음 식으로 나타낼 수 있습니다. 전압 제어 전압원 증폭기 모델

\(V_O = A_V × \displaystyle\frac{R_i}{R_i + R_S} × \displaystyle\frac{R_L}{R_O + R_L} × V_S\)

신호전압 V_S는 신호원 저항 R_S와 OP Amp의 입력 저항 R_i에 의해 저항 분할로 분압되므로 감쇠된 신호가 OP Amp에 입력됩니다. 그러나 R_S보다 R_i가 충분히 크다(R_i=∞)고 하면 식의 제1항은 1에 가까워지며, V_S=V_i로 볼 수 있습니다. 다음으로 제2항에서는 증폭된 입력전압 A_VV_i가 OP Amp의 출력 저항 R_O와 부하 저항 R_L에 의해 분압되어 출력됩니다. 이때 R_L보다 R_O가 충분히 작다(R_O=0)고 하면 제2항은 1에 가까워지고, 신호가 감쇠되지 않고 출력될 수 있음을 알 수 있습니다. 이러한 OP Amp를 이상적 OP Amp라고 합니다. 일반적으로 OP Amp는 높은 입력 저항과 낮은 출력 저항이 요구되며, 이상적 OP Amp에 가까워지도록 설계된 회로 구성으로 되어 있습니다.

내부 회로의 구성

단자와 이상 모델을 확인한 다음에는 IC 내부에서 신호가 어떤 단을 거쳐 증폭되는지 살펴봅니다. 내부 회로를 세부적으로 설계하기 위한 설명이 아니라, 입력단, 이득단, 출력단이 특성과 어떻게 관련되는지를 이해하기 위한 정리입니다.

아래에 OP Amp의 내부 회로 구성을 나타냅니다. 일반적으로 OP Amp는 입력단, 이득단, 출력단의 3단 구성으로 생각할 수 있습니다.

입력단은 차동 증폭단으로 구성되며, +입력단자와 -입력단자의 차동 전압을 받습니다. 동상 신호 성분(단자 사이에 전위차가 없고 같은 전압이 입력되어 있는 상태)은 이상적으로는 억제되지만, 실제 IC에서는 동상 신호 제거비라는 유한한 특성을 가집니다.

이득단은 차동 증폭단만으로 부족한 이득을 보완하고 OP Amp 전체의 개방 이득을 높입니다. 일반적인 OP Amp에서는 부귀환 회로에서 안정적으로 사용할 수 있도록 이득단 주변에 발진 방지용 위상보상 용량이 접속되어 있습니다.

출력단은 출력단자에 접속되는 부하의 영향을 줄이고 후단을 구동하기 위한 단입니다. 부하로 인한 왜곡이나 전압 강하 등은 주로 출력단의 회로 구성과 전류 능력에 의존합니다. 출력단에는 A급, B급, C급, AB급 등의 분류가 있지만, 여기서는 내부 회로의 개요로서 출력단이 부하 구동에 관여하는 부분이라는 점을 이해하면 됩니다.

OP Amp의 역할

OP Amp는 미세한 전압차를 다루기 쉬운 신호로 변환하고, 신호원과 부하의 영향을 분리하여 회로를 안정적으로 동작시키기 위해 사용됩니다.

센서나 검출 회로에서는 신호원의 출력이 작아 후단의 A/D 컨버터나 제어 회로로 그대로 전달하면 오차나 부하의 영향을 받기 쉽습니다. OP Amp를 사용하면 신호원에 대한 부담을 줄이면서 필요한 전압 범위로 정돈하고, 다음 회로로 전달하기 쉬워집니다.

미소 신호를 다루기 쉬운 전압으로 변환

센서나 검출 회로에서 얻어지는 작은 신호는 그대로는 후단 회로에서 다루기 어려운 경우가 있습니다. OP Amp는 이러한 미소 신호를 필요한 전압 레벨까지 증폭하는 역할을 합니다.

예를 들어 센서 출력을 A/D 컨버터나 마이컴 내장 A/D 입력으로 읽을 때, 입력 범위에 비해 신호가 너무 작으면 분해능을 충분히 활용할 수 없습니다. OP Amp로 신호를 적절한 범위까지 증폭하면 후단 회로가 신호의 변화를 읽기 쉬워집니다. 다만 필요한 이득뿐만 아니라 오프셋, 노이즈, 입력 범위, 출력 범위도 함께 확인해야 합니다.

미소 신호를 증폭할 때는 단순히 크게 만들면 되는 것이 아닙니다. 신호에 겹치는 노이즈와 입력 오프셋 전압도 함께 다루게 되므로, 후단에서 필요한 분해능과 측정 범위에 맞추어 이득과 오차 요인을 동시에 봅니다.

신호원과 부하를 분리한다

높은 입력 저항과 낮은 출력 저항의 특성에 의해 신호원에 대한 부담을 줄이면서 부하를 구동할 수 있습니다.

입력 저항이 높으면 신호원의 전압을 무너뜨리기 어렵고, 출력 저항이 낮으면 후단 회로나 부하를 구동하기 쉬워집니다.

신호원에는 센서나 분압 회로처럼 출력 저항이 높은 것이 있습니다. 이러한 신호원에 부하를 직접 연결하면 신호원 저항과 부하 저항으로 분압되어, 얻고자 하는 전압이 낮아질 수 있습니다.

OP Amp를 사이에 넣으면 전단에서는 전류를 거의 끌어오지 않고, 후단에는 필요한 전류를 공급하기 쉬워집니다. 이 동작은 버퍼 용도에서 특히 중요하며, 전압 폴로어에서는 전압 이득이 거의 1배라도 신호전압을 유지한 채 다음 회로로 전달하기 쉬워집니다.

계측·제어·오디오·전원에서의 용도

계측, 제어, 오디오, 전원 회로 등에서는 신호 증폭, 버퍼, 필터 등의 목적으로 OP Amp가 사용됩니다. 용도에 따라 입력 범위, 출력 범위, 노이즈, 온도 특성 등을 확인합니다.

계측 회로에서는 센서 신호를 읽기 쉬운 전압으로 정돈하고, 제어 회로에서는 검출한 신호를 판단이나 제어에 사용하기 쉬운 형태로 만듭니다. 오디오 회로에서는 신호 증폭이나 필터 처리에 사용되며, 전원 회로에서는 전압이나 전류 검출, 귀환 제어를 지탱하는 신호 처리부로 사용됩니다. 용도마다 요구되는 정밀도, 대역, 노이즈, 입출력 범위가 다르므로 회로의 목적에 맞추어 특성을 확인합니다.

OP Amp의 선택 방법

종류를 선택할 때는 전원 구성뿐만 아니라 입력 신호가 다룰 수 있는 범위 안에 들어가는지, 출력이 후단 회로에 필요한 전압까지 스윙할 수 있는지를 확인합니다. 또한 정밀도, 노이즈, 대역, 소비전류, 동작 온도 범위 등을 용도에 맞추어 보면 회로 조건에 맞는 OP Amp를 선택하기 쉬워집니다.

전원 구성으로 선택한다

먼저 확인할 것은 회로가 정측 전원과 부측 전원을 모두 준비할 수 있는지, 또는 단일 전원으로 동작해야 하는지입니다. 전원 구성은 입력 신호의 기준 전위와 0V 부근의 신호를 다룰 수 있는지에 관련됩니다. 다만 실제로 다룰 수 있는 범위는 전원 방식뿐만 아니라 입력 동상 전압 범위와 출력 스윙 범위로도 결정되므로, 양전원과 단전원의 차이를 정리한 뒤 데이터시트에서 확인합니다.

양전원 OP Amp의 특징

OP Amp는 일반적으로 0V에 가까운 미소 신호를 증폭하는 경우가 많기 때문에, 양전원 OP Amp에서 0V 입력이 필요한 경우에는 V_EE를 부전압 측으로 설정합니다. 필요한 부전원 전압은 제품 종류와 입력 동상 전압 범위에 따라 다르므로 데이터시트에서 확인합니다. 이러한 이유로 부전원을 사용하는 경우가 많고, 정·부 양쪽 전원이 필요하므로 양전원 OP Amp라고 부릅니다.

단전원 OP Amp의 특징

단전원 OP Amp는 부전원을 준비하지 않고 단일 전원으로 동작시키기 쉬운 제품입니다. 0V 부근의 신호를 다룰 수 있는 제품은 그라운드 센스 OP Amp라고도 합니다. 다만 단전원으로 동작한다는 것과 입력이나 출력이 항상 0V 부근까지 사양대로 다룰 수 있다는 것은 같은 의미가 아닙니다. 입력 동상 전압 범위와 출력 스윙 범위를 데이터시트에서 확인합니다.

입출력 전압 범위로 선택한다

전원 구성을 정한 뒤에는 실제 입력 신호와 필요한 출력전압이 선택한 OP Amp의 동작 범위 안에 들어가는지 확인합니다. 특히 저전압 동작에서는 전원전압에 가까운 범위까지 입력·출력할 수 있는지가 사용 편의성과 관련됩니다.

OP Amp(연산 증폭기)의 종류는 입출력 전압 범위의 차이에 따라 「양전원 OP Amp」, 「단전원 OP Amp」, 「Rail-to-Rail OP Amp」의 3가지로 크게 나눌 수 있습니다. 각 OP Amp의 입출력 전압 범위는 아래 그림과 같습니다.

Rail-to-Rail OP Amp의 특징

최근 저전력화에 따라 세트에서는 저전압으로 구동하는 경우가 많아지고 있습니다. OP Amp도 마찬가지로 저전압 동작이 필요하지만, V_CC 전압이 5V 부근까지 낮아지면 제품 종류에 따라 입력 상한이 V_CC보다 일정 전압 낮은 범위로 제한되어 불편한 상황이 생깁니다. 이에 따라 전원 레일 근처까지 입력 또는 출력을 다룰 수 있도록 한 Rail-to-Rail OP Amp가 등장했습니다. 전원전압(V_EE~V_CC) 범위 근처까지 입출력할 수 있으므로 입출력 풀 스윙 OP Amp라고도 합니다. 다만 실제로 어디까지 다룰 수 있는지는 입력 동상 전압 범위, 출력전류, 부하 저항, 온도, 전원전압 등의 조건에 따라 달라집니다. V_EE에서 V_CC까지 항상 이상적으로 동작한다는 의미는 아니므로 데이터시트의 조건에서 확인합니다.

용도별로 선택한다

용도에 맞는 OP Amp를 선택할 때는 전원 조건, 입출력 전압 범위, 필요한 정밀도, 신호 대역, 노이즈, 온도 조건을 차례로 확인합니다.

자동차용 기기나 산업기기에서는 온도 범위, 노이즈 내성, 장시간 동작 시의 안정성이 중요합니다. 배터리 구동 기기에서는 저전압 동작과 소비전류, 입출력 전압 범위를 확인합니다. 센서 신호 처리에서는 미소 신호를 다루기 위한 오프셋, 노이즈, 입력 바이어스 전류, 필요한 대역을 용도에 맞추어 봅니다.

OP Amp의 특성과 용어

OP Amp를 선택할 때는 증폭할 수 있다는 점뿐만 아니라 신호를 어느 정도 정확하게 다룰 수 있는지도 확인합니다. 여기서는 증폭률과 전압 이득, 입력 오프셋 전압, Slew Rate, 노이즈 특성, 온도 특성, 절대 최대 정격을 차례로 확인합니다.

증폭률과 전압 이득

증폭률과 전압 이득에서는 입력 신호를 어느 정도 크게 할지, 또 이득을 dB로 어떻게 나타내는지를 확인합니다.

증폭률과 전압 이득을 확인할 때는 부귀환 회로의 구성이나 외장 저항 등으로 결정되는 폐루프 이득과, OP Amp 자체가 가지는 개루프 이득(개방 이득)을 나누어 생각합니다. 자세한 계산 방법과 dB 표기의 읽는 법은 이득을 다루는 상세 글에서 확인하면 이해하기 쉽습니다.

입력 오프셋 전압

입력 오프셋 전압은 입력 차동 전압이 0이어도 출력에 오차가 생기는 요인입니다. 고정밀 계측 회로에서는 특히 확인이 필요합니다.

높은 이득으로 미소 신호를 다루는 회로에서는 입력 오프셋 전압에 의한 오차도 증폭되어 출력 오차로 무시할 수 없는 경우가 있습니다. 센서 계측이나 기준전압 주변 등 고정밀도가 요구되는 회로에서는 온도에 따른 오프셋 변동도 확인합니다.

Slew Rate

Slew Rate는 출력전압이 시간에 대해 얼마나 빠르게 변화할 수 있는지를 나타내는 특성입니다. 대진폭 신호나 고속 신호를 다룰 때 확인합니다.

대진폭 신호나 주파수가 높은 신호에서는 필요한 변화 속도가 Slew Rate를 넘으면 출력 파형이 입력 변화에 따라가지 못하고 왜곡될 수 있습니다. 다루는 신호의 진폭과 주파수를 바탕으로 필요한 Slew Rate를 만족하는지 확인합니다.

노이즈 특성과 EMI/EMS

여기서는 신호 자체에 겹치는 노이즈 성능과 외래 전자 노이즈에 대한 EMI/EMS 관점을 나누어 확인합니다. 둘 다 미소 신호의 품질과 관련되지만 확인하는 항목은 다릅니다.

OP Amp의 노이즈 성능에서는 입력 환산 노이즈와 주변 저항의 열잡음 등 신호에 겹치는 성분을 봅니다. 한편 EMI/EMS에서는 회로가 전자 노이즈의 발생원이 될 수 있다는 점과, 외래 노이즈를 받았을 때 오동작하기 어려운지를 확인합니다. 미소 신호를 다루는 회로나 노이즈원 가까이에서 사용하는 회로에서는 필요한 신호 대역, 노이즈 성능, 외래 노이즈에 대한 내성을 용도에 맞추어 확인합니다.

온도 특성과 동작 온도 범위

온도 특성은 주변 온도의 변화에 따라 오프셋 전압이나 특성이 어느 정도 변하는지를 확인하는 항목입니다. 사용 환경에 대해 동작 온도 범위를 만족하는지 확인합니다.

데이터시트의 전기적 특성은 25℃ 등 특정 조건에서 제시되는 경우가 많으며, 실제 사용 온도에서는 오프셋 전압, 입력 바이어스 전류, 이득 등이 변할 수 있습니다. 주변 온도뿐만 아니라 IC 내부의 접합 온도가 허용 범위에 들어가는지도 확인합니다. 소비전력과 기판의 방열 조건에 따라 온도 상승은 달라지므로, 열 설계를 포함하여 동작 온도 범위를 확인합니다.

절대 최대 정격을 읽는 방법

절대 최대 정격은 넘어서는 안 되는 한계값을 나타내는 항목입니다. 통상 동작에서 만족해야 하는 조건을 나타내는 동작 전원전압 범위와는 나누어 확인합니다.

절대 최대 정격은 짧은 시간이라도 넘으면 열화나 파괴로 이어질 수 있는 한계값입니다. 이 범위 안에 있으면 성능이 보증된다는 의미가 아니라, 통상 동작에서는 전기적 특성에 제시된 동작 조건을 만족해야 합니다. 설계 시에는 전원, 입력, 출력, 온도 등이 절대 최대 정격에 가까워지지 않도록 여유를 두고 확인합니다.

전원전압과 동작 전원전압 범위

전원전압의 절대 최대 정격은 파괴를 피하기 위한 상한이며, 동작 전원전압 범위는 사양대로 동작하기 위한 범위입니다.

설계에서는 통상 시 전원전압이 동작 전원전압 범위에 들어가는지 확인합니다. 또한 전원 변동이나 과도적인 상승이 생겨도 절대 최대 정격을 넘지 않도록 여유를 둡니다.

차동 입력 전압

차동 입력 전압은 +입력단자와 -입력단자 사이에 인가되는 전압차입니다. 입력단자 사이의 허용 범위를 넘지 않도록 확인합니다.

입력단자 사이에 큰 전압차가 인가되면 입력 보호 소자나 입력단에 부담이 걸릴 수 있습니다. 따라서 통상 동작에서 예상되는 입력차뿐만 아니라 전원 투입 시나 이상 시에 단자 사이에 인가되는 전압도 확인합니다.

동상 입력 전압

동상 입력 전압은 양쪽 입력단자에 공통으로 인가되는 전압 범위입니다. 단전원 제품이나 Rail-to-Rail 제품을 선택할 때는 신호가 입력 동상 전압 범위에 들어가는지 확인합니다.

동상 입력 전압의 절대 최대 정격은 양쪽 입력단자에 인가해도 되는 동상 전압의 한계값을 나타냅니다. 한편 전기적 특성에 기재되는 입력 동상 전압 범위는 OP Amp가 사양대로 동작할 수 있는 입력전압의 범위입니다.

입력전류

입력전류는 입력단자로 흘러들어가거나 입력단자에서 흘러나오는 전류입니다. 고저항 신호원을 다루는 경우에는 입력전류에 의한 오차를 확인합니다.

여기서 확인하는 입력전류에는 입력단자에 정격 외 전압이 인가되었을 때 보호 소자로 흘러드는 전류도 포함됩니다. 이는 통상 동작 시의 입력 바이어스 전류와 의미가 다르므로 나누어 확인합니다. 입력단자에 클램프 다이오드 등의 보호 소자가 있는 경우에는 직렬 저항 등으로 전류를 제한하여 허용 범위를 넘지 않도록 설계합니다.

OP Amp와 콤퍼레이터의 차이

마지막으로 단자 구성이 비슷한 OP Amp와 콤퍼레이터의 차이를 정리합니다. 둘 다 2개의 입력을 다루지만, 부귀환으로 선형 증폭하는 용도와 전압의 크고 작음을 판정하는 용도에서는 내부 구성과 응답 속도의 개념이 다릅니다.

용도의 차이

OP Amp는 연속적으로 변화하는 아날로그 신호를 증폭하거나 버퍼, 필터로 정돈하는 용도에 사용됩니다. 한편 콤퍼레이터는 두 전압을 비교하여 어느 쪽이 높은지를 High/Low 신호로 출력하는 전자부품입니다. 온도 센서의 임계값 검출, 배터리 모니터의 전압 감시, 과전압 보호 회로의 이상 검출 등 판정 결과를 빠르게 얻고 싶은 용도에 사용됩니다.

콤퍼레이터(Voltage Comparator: 비교기)의 단자 구조는 OP Amp와 마찬가지로 +입력단자, -입력단자, 정측 전원단자, 부측 전원단자, 출력단자의 5단자로 구성되어 있습니다. 어느 한쪽 입력단자를 기준단자로 하여 전압을 고정하고, 이 기준전압과 다른 한쪽 단자에 입력되는 전압의 차이를 증폭하여 High 또는 Low를 출력하는 회로입니다.

+입력단자의 전위 > -입력단자의 전위가 성립하면 High 레벨을 출력 -입력단자의 전위 > +입력단자의 전위가 성립하면 Low 레벨을 출력

위상보상 용량과 응답 속도의 차이

OP Amp와 콤퍼레이터는 단자 구성이 비슷하지만 내부에서 중시하는 특성이 다릅니다. OP Amp는 부귀환 회로에서 안정적으로 사용하는 경우가 많으므로, 일반적으로 IC 내부에 발진 방지용 위상보상 용량을 가집니다. 한편 콤퍼레이터는 입력전압의 크고 작음을 고속으로 판정하는 용도를 전제로 하며, 부귀환으로 선형 증폭하는 전제로 설계되어 있지 않습니다.

콤퍼레이터 내부의 개념

회로 구성의 개념은 OP Amp와 가까운 부분이 있지만, 콤퍼레이터에서는 위상보상 용량을 갖지 않는 구성이 일반적입니다. 따라서 OP Amp보다 응답 시간을 짧게 하기 쉽고 임계값 판정에 적합합니다. 다만 응답 속도는 위상보상 용량만으로 결정되는 것이 아니라 입력단, 출력단, 포화에서의 회복, 출력 형식 등에도 의존합니다. 자세한 주의점은 다음 절에서 확인합니다.

OP Amp를 콤퍼레이터로 사용할 때의 주의점

이상의 차이 때문에 비교 판정을 목적으로 하는 경우에는 원칙적으로 콤퍼레이터를 선택하는 것이 기본입니다. OP Amp를 콤퍼레이터로 사용하면 위상보상 용량이나 출력 포화에서의 회복 때문에 콤퍼레이터보다 응답이 느려질 수 있습니다.

또한 OP Amp는 High/Low를 출력하는 로직 IC로 설계된 것이 아니므로, 출력전압 레벨, 입력 동상 전압 범위, 차동 입력 전압의 허용 범위, 출력이 기대와 반대 방향으로 스윙하는 현상의 유무와 복귀 시간을 확인해야 합니다.

임계값 부근에서 입력이 천천히 변하거나 노이즈가 겹치는 경우에는 출력이 불안정하게 전환될 수 있습니다. 히스테리시스가 필요한 용도나 고속 판정이 필요한 용도에서는 콤퍼레이터 사용을 전제로 검토합니다. OP Amp로 대체하는 경우에는 데이터시트에서 그 사용 방법이 허용되는지 확인합니다.

OP Amp 기초 정리

OP Amp는 2개의 입력단자 사이의 차동 전압을 증폭하고, 부귀환을 조합하여 필요한 이득과 동작을 얻는 아날로그 IC입니다. 단자 구성과 내부 회로, 높은 입력 저항·낮은 출력 저항의 개념을 이해하면 미소 신호의 증폭, 버퍼, 필터, 검출 회로 등에서 왜 사용되는지 이해하기 쉬워집니다. 선정 시에는 전원 구성, 입출력 전압 범위, 이득, 오프셋, Slew Rate, 노이즈, 온도 조건을 용도에 맞추어 확인합니다. 콤퍼레이터와는 단자 구성이 비슷하지만 주된 용도와 내부 구성이 다르므로, 전압의 크고 작음을 판정할 때는 전용 콤퍼레이터 사용도 포함해 검토하는 것이 중요합니다.