연산 증폭기의 입력 특성이란? 입력 정확도와 절대 최대 정격

OP Amp 입력 특성이란?

OP Amp의 입력 특성은 크게 두 가지로 나눌 수 있습니다. 하나는 입력 신호를 얼마나 정확하게 다룰 수 있는지를 나타내는 특성입니다. 다른 하나는 입력 단자나 전원 단자에 인가해도 되는 전압과 전류의 한계를 나타내는 정격입니다.

입력 바이어스 전류는 정상 동작 시 입력 단자로 흐르는 미소 전류이며, 신호원 저항과 결합하면 전압 오차의 원인이 됩니다. 한편 전원 전압, 차동 입력 전압, 동상 입력 전압, 정격 외 입력 시의 입력 전류는 IC의 열화나 파괴를 피하기 위해 확인하는 항목입니다.

입력 정확도에 영향을 주는 특성

정상 동작 시의 입력 정확도에 영향을 주는 파라미터에는 입력 오프셋 전압과 입력 바이어스 전류가 있습니다. 입력 오프셋 전압은 입력 단자 사이로 환산한 오차 전압이며, 입력 바이어스 전류는 신호원 저항과 결합하여 전압 오차를 발생시키는 미소 전류입니다. 두 항목 모두 미소 센서 신호나 높은 DC 정확도가 필요한 회로에서는 출력 오차에 영향을 줍니다.

입력 오프셋 전압이란?

이상적인 OP Amp에서는 +입력 단자와 -입력 단자의 전위차가 0V이면 출력도 이상적으로 0V가 됩니다. 그러나 실제 OP Amp에서는 입력단 소자의 편차 등으로 인해 입력 단자 간 전위차가 0V이어도 출력에 어긋남이 생길 수 있습니다. 이 어긋남을 0V로 만들기 위해 입력 단자 사이에 가해야 하는 보정 전압을 입력 오프셋 전압이라고 합니다.

입력 오프셋 전압의 단위는 일반적으로 mV 또는 µV로 표시합니다. 값이 0에 가까울수록 이상적인 상태에 가깝고, DC 정확도가 필요한 회로에서는 중요한 확인 항목입니다.

동상 입력 범위 밖에서는 입력 오프셋 전압이 급격히 증가하여 OP Amp로 정상 동작하기 어려운 영역이 생길 수 있습니다. 입력 오프셋 전압을 평가할 때는 측정 조건과 입력 동상 전압 범위도 함께 확인합니다.

입력 환산값으로 나타내는 이유

입력 환산이란 출력 측에 나타난 오차를 입력 측의 전압으로 환산하여 다루는 방법입니다. OP Amp는 회로 구성에 따라 폐루프 이득이나 노이즈 게인이 달라지므로, 출력 측의 값만으로는 IC 자체의 오차나 회로 간 비교가 어려워집니다. 입력 측의 오차로 표시하면 회로 조건에 따라 출력 오차로 환산할 수 있고, 데이터시트의 입력 오프셋 전압이나 입력 환산 노이즈도 같은 기준으로 확인하기 쉬워집니다.

입력 환산값은 실제 출력 오차를 그대로 나타내는 값이 아닙니다. 출력에 나타나는 오차는 입력 환산값에 회로의 폐루프 이득이나 노이즈 게인을 곱해 추정합니다. 따라서 데이터시트에서는 입력 측에서 제시된 값을 확인하고, 실제 회로에서는 사용하는 이득 조건, 신호원 저항, 온도, 대역을 함께 평가합니다.

입력 오프셋 전압이 출력 오차에 미치는 영향

입력 오프셋 전압에 의한 출력 오차는 개략적으로 입력 오프셋 전압에 노이즈 게인을 곱해 추정할 수 있습니다.

\(V_{OUT\_error}≈V_{OS}×노이즈\ 게인\)

V_OS는 입력 오프셋 전압, 노이즈 게인은 입력 환산 오차가 출력으로 나타나는 배율입니다.

비반전 증폭 회로처럼 노이즈 게인이 폐루프 이득과 같아지는 경우에는 다음 식으로 개략값을 구할 수 있습니다.

\(V_{OUT\_error}≈V_{OS}×\left(1+\displaystyle\frac{R_F}{R_G}\right)\)

RF는 피드백 저항, RG는 게인 설정 저항입니다. 반전 증폭 회로에서도 입력 오프셋 전압에 의한 출력 오차는 신호 이득이 아니라 노이즈 게인으로 생각합니다. 예를 들어 RF/RG = 100인 반전 증폭 회로에서는 신호 이득은 -100배이지만, 입력 오프셋 전압에 대한 노이즈 게인은 1 + RF/RG = 101배입니다.

따라서 입력 오프셋 전압 VOS = 1mV이고 노이즈 게인이 101인 경우, 출력 오차는 약 101mV가 됩니다. 작은 입력 환산 오차라도 노이즈 게인이 큰 회로에서는 출력 측에서 크게 보일 수 있습니다.

입력 오프셋 전압의 편차와 정규분포

입력 오프셋 전압은 개별 제품의 값을 보면 0V 부근을 중심으로 양쪽 극성 방향에 분포하는 경향이 있습니다. 데이터시트의 규격값은 많은 경우 V_OS 절대값의 최대값으로 표시되므로, 실제 개체에서는 정방향과 부방향 어느 쪽으로도 오프셋이 생길 수 있습니다.

정규분포에 가까운 형태로 다룰 수 있는 경우도 있지만, 제품과 측정 조건에 따라 분포는 달라집니다. 따라서 상세한 분포식보다 최대값과 온도 드리프트를 설계 마진에 넣어 보는 관점이 중요합니다. 고정밀 DC 증폭이나 센서 신호 증폭에서는 데이터시트의 최대값뿐 아니라 온도 드리프트도 확인합니다.

정규분포에 가까운 경향이 보이더라도, 분포의 중심값만 보고 설계 마진을 줄이는 것은 피해야 합니다. 설계에서는 데이터시트에 제시된 최대값을 보증값으로 다루고, 오프셋이 어느 극성으로 나타나더라도 출력 오차가 허용 범위 안에 들어오는지 확인합니다.

입력 오프셋 전압의 온도 드리프트

입력 오프셋 전압은 온도에 따라 변합니다. 이 변화량을 입력 오프셋 전압 드리프트 또는 오프셋 전압 온도 드리프트라고 합니다. 단위는 일반적으로 µV/℃로 표시하며, 온도 범위가 넓은 용도나 미소 신호를 다루는 용도에서는 중요한 항목입니다.

\(ΔV_{OS}≈drift×ΔT\)

drift는 입력 오프셋 전압 드리프트, ΔT는 온도 변화입니다. 초기 V_OS와는 별도의 오차 요인으로 반영합니다.

예를 들어 입력 오프셋 전압 드리프트가 1µV/℃이고 온도 변화가 50℃인 경우, 온도에 의한 입력 환산 오차는 약 50µV입니다. 이 값에 회로의 노이즈 게인을 곱하면 온도 변화에 따른 출력 오차의 기준을 확인할 수 있습니다.

입력 바이어스 전류란?

입력 바이어스 전류는 정상 동작 시 OP Amp의 입력 단자로 흐르는 미소 전류입니다. 입력 단자 전압이 정격 외가 되었을 때 보호 소자로 흐르는 입력 전류와는 발생 조건도 설계상 취급도 다릅니다. 입력 바이어스 전류는 파괴를 피하기 위한 보호 전류가 아니라, 입력 정확도에 영향을 주는 오차 요인으로 확인합니다.

특히 신호원 저항이나 피드백 저항이 큰 회로에서는 입력 바이어스 전류로 인해 저항에 전압 강하가 생기고, 이것이 입력 환산 오차로 나타납니다. 데이터시트에서는 입력 바이어스 전류의 대표값, 최대값, 온도 조건을 확인하고, 실제로 사용하는 저항값과 조합하여 오차를 추정합니다.

입력 바이어스 전류가 입력 오차에 미치는 영향

입력 바이어스 전류에 의한 입력 환산 오차는 신호원 저항과의 곱으로 개략적으로 구할 수 있습니다.

\(V_{error}≈I_B×R_S\)

I_B는 입력 바이어스 전류, R_S는 신호원 저항입니다. 입력 오프셋 전압과는 다른 오차 요인으로 다룹니다.

예를 들어 입력 바이어스 전류 I_B = 100nA, 신호원 저항 R_S = 10kΩ인 경우, 입력 환산 오차는 약 1mV입니다. 고저항 신호원을 다루는 회로에서는 입력 오프셋 전압뿐 아니라 입력 바이어스 전류에 의한 오차도 무시할 수 없는 경우가 있습니다.

절대 최대 정격을 읽는 방법

다음으로 OP Amp를 손상시키지 않고 사용하기 위해 확인해야 하는 정격과, 정상 동작을 확인하는 조건의 차이를 살펴봅니다. 전원 전압이나 입력 단자 전압을 확인할 때는 한계값과 동작 보증 조건을 나누어 읽는 것이 중요합니다.

절대 최대 정격이란?

절대 최대 정격은 정상 동작을 보증하는 조건이 아니라, 넘어서는 안 되는 한계값입니다. 순간적인 초과라 하더라도 IC의 특성 열화나 파괴로 이어질 수 있습니다. 절대 최대 정격 안에 있더라도 전기적 특성이나 정상 동작이 보증되는 것은 아니므로, 설계 시의 동작점은 권장 동작 조건이나 전기적 특성 조건에서 확인합니다.

OP Amp의 입력 주변에서는 전원 전압뿐 아니라 차동 입력 전압, 동상 입력 전압, 정격 외 입력 시의 입력 전류도 절대 최대 정격의 확인 대상이 됩니다. 설계에서는 먼저 권장 동작 조건 안에 들어오는지 확인하고, 전원 투입 시, 과도 입력, 외부에서의 과전압 등 최악 조건에서도 절대 최대 정격을 넘지 않는지 대조합니다.

따라서 절대 최대 정격은 설계 목표가 아니라, 이상 상태나 과도 상태를 포함해도 넘지 않아야 하는 경계로 다룹니다. 값이 비슷해 보이는 항목이라도 어느 표에 기재되어 있는지에 따라 의미가 달라진다는 점에 주의합니다.

절대 최대 정격과 동작 조건의 차이

데이터시트에서는 절대 최대 정격, 권장 동작 조건 또는 동작 전원 전압 범위, 전기적 특성 조건이 구분되어 기재됩니다. 이들은 비슷해 보일 수 있지만 의미는 서로 다릅니다.

전원 전압과 동작 전원 전압 범위

절대 최대 정격의 전원 전압은 V_CC 단자와 V_EE 단자의 전위차로 확인합니다. V_CC 단독의 전압이 아니라, 정측 전원과 부측 전원의 차이를 본다는 점이 중요합니다.

\(V_{CC}-V_{EE}≤절대\ 최대\ 정격\ 전원\ 전압\)

이 식은 파괴나 열화를 피하기 위한 한계 확인이며, 정상 동작을 보증하는 것은 아닙니다.

정상 동작을 확인할 때는 동작 전원 전압 범위 안에서 사용합니다.

\(동작\ 전원\ 전압\ 범위의 하한≤V_{CC}-V_{EE}≤동작\ 전원\ 전압\ 범위의\ 상한\)

제품에 따라 절대 최대 정격의 최대값과 동작 전원 전압 범위의 최대값이 같은 경우도 있지만, 두 항목의 의미는 다릅니다.

예를 들어 절대 최대 정격 전원 전압이 36V인 제품에서 V_CC = 24V, V_EE = -12V를 인가하는 경우, 단자 간 전위차는 36V입니다. 다만 이 조건에서 사양대로 동작하는지는 동작 전원 전압 범위와 전기적 특성 조건에서 별도로 확인합니다.

데이터시트에서 확인해야 할 입력 관련 정격 항목

입력 특성을 설계에 반영할 때는 하나의 정격만으로 판단하지 말고, 전원, 입력 단자, 입력 전류의 각 항목을 함께 확인합니다. 값은 제품마다 다르므로 최종 판단은 대상 제품의 데이터시트를 우선합니다.

절대 최대 정격은 파괴나 열화를 피하기 위한 한계값입니다. 실제 회로가 사양대로 동작하는지는 동작 조건 및 전기적 특성에 기재된 조건에서 확인합니다.

차동 입력 전압

차동 입력 전압은 +입력 단자와 -입력 단자 사이에 가해지는 전압차입니다. 일반적인 부귀환 동작에서는 입력 단자 사이의 전압차가 작아지지만, 기동 시나 이상 입력 시에는 큰 차이가 가해질 수 있습니다. 이때 정격을 넘지 않는지 확인하는 것이 중요합니다.

차동 입력 전압이란?

차동 입력 전압은 +입력 단자와 -입력 단자의 전압차입니다. 정의는 다음 식으로 나타낼 수 있습니다.

\(V_{ID}=V_{IN+}-V_{IN-}\)

V_IN+는 비반전 입력 단자 전압, V_IN-는 반전 입력 단자 전압입니다.

차동 입력 전압의 정격을 확인할 때는 많은 경우 단자 간 전압의 절대값이 규격값을 넘지 않는지 확인합니다. 제품마다 규격 표기가 다르므로 데이터시트의 표기에 따릅니다.

\(|V_{ID} |≤차동\ 입력\ 전압의\ 절대\ 최대\ 정격\)

입력 단자 전위 조건과 입력 전류의 관계

입력 단자의 안전 정격은 단자 간 전위차만으로 판단할 수 없습니다. 먼저 +입력 단자와 -입력 단자의 차이가 차동 입력 전압의 정격 안에 있는지 확인합니다. 다음으로 각 입력 단자의 전위가 V_CC 단자나 V_EE 단자를 기준으로 한 동상 입력 전압의 허용 범위 안에 있는지 확인합니다. 이 조건을 벗어나면 입력 보호 소자, 입력 단자 간 클램프, 또는 전원 단자 측으로 전류가 흐를 수 있습니다.

즉, 차동 입력 전압은 입력 단자끼리의 관계, 동상 입력 전압은 입력 단자와 전원 단자의 관계, 정격 외 입력 시의 입력 전류는 이러한 조건을 벗어났을 때 보호 경로로 흐르는 전류로 확인합니다. +입력 단자와 -입력 단자의 전위차가 작더라도 두 입력 단자가 모두 전원 단자에 대한 허용 범위를 벗어나면 안전 정격을 만족한다고 볼 수 없습니다.

설계 시에는 신호원의 출력 범위, 전원 전압, 기동 및 정지 시 상태를 조합하여 각 입력 단자의 전위와 단자 간 전압을 최악 조건으로 확인합니다. 이 확인을 통해 차동 입력 전압, 동상 입력 전압, 보호 소자로 흐르는 전류의 누락을 줄일 수 있습니다.

ESD 보호 소자와 차동 입력 전압 한계의 결정 방식

IC에는 정전기 파괴 보호 소자가 내장되어 있습니다. 입력 단자의 보호 소자는 V_EE측에만 접속되는 경우와, V_CC측 및 V_EE측 양쪽에 접속되는 경우가 있습니다. V_CC측에도 보호 소자가 있는 경우, 입력 단자의 전위는 V_CC측 조건에도 제한됩니다.

입력 단자 사이에 클램프 다이오드가 있는 경우

입력 단자 사이에 클램프 다이오드가 있는 제품에서는 +입력 단자와 -입력 단자 사이에 큰 전압차가 가해지면 다이오드가 도통하여 단자 간 전압차를 억제합니다. 따라서 차동 입력 전압의 정격이 수 V 정도 또는 다이오드 순방향 전압에 가까운 값으로 제한되는 경우가 있습니다. 구체적인 값과 조건은 제품마다 다르므로 대상 제품의 데이터시트에서 확인합니다.

다만 클램프 다이오드가 도통하는 조건에서는 단자 간 전압값뿐 아니라 +입력 단자와 -입력 단자 사이로 흐르는 클램프 전류도 확인합니다. 데이터시트에 입력 전류, 클램프 전류, 인젝션 전류 또는 주석으로 전류 상한이 표시되어 있는 경우에는 그 값을 넘지 않도록 신호원 임피던스와 직렬 저항을 포함해 검토합니다. 전압이 정격 안으로 보이는 경우에도 클램프 경로의 전류가 허용값을 넘는 조건은 피해야 합니다.

동상 입력 전압

동상 입력 전압은 입력 단자의 전위가 전원 단자에 대해 어느 범위에 있는지를 보는 항목입니다. 차동 입력 전압이 단자 사이의 차이를 보는 데 비해, 동상 입력 전압은 입력 단자와 전원 전압의 관계를 확인합니다. 정상 동작 범위와는 구분하여 읽습니다.

동상 입력 전압이란?

동상 입력 전압은 +입력 단자와 -입력 단자의 전위를 전원 단자를 기준으로 보았을 때의 입력 단자 전위입니다. 두 입력 단자의 평균 전압으로 동상 입력 전압을 다음과 같이 나타내는 경우가 있습니다.

\(V_{ICM}=\displaystyle\frac{V_{IN+}+V_{IN-}}{2}\)

V_ICM은 동상 입력 전압입니다. 차동 신호가 있는 경우의 엄밀한 취급은 회로 조건에 따라 달라집니다.

V_ICM을 평균 전압으로 확인하는 경우에도 +입력 단자와 -입력 단자 각각이 허용 전위 범위 안에 들어오는지 함께 확인합니다. 차동 신호가 겹치면 평균값인 V_ICM은 범위 안에 있어도 한쪽 입력 단자만 상한 또는 하한에 가까워질 수 있습니다.

데이터시트에서는 동상 입력 전압이 절대 최대 정격란과 전기적 특성 또는 권장 동작 조건란에 나뉘어 기재되는 경우가 있습니다. 파괴나 열화를 피하기 위한 한계 확인과, 정상 동작 및 특성 보증 확인을 구별하여 읽습니다.

동상 입력 전압과 동상 입력 전압 범위의 차이

절대 최대 정격의 동상 입력 전압과, 전기적 특성에 기재되는 동상 입력 전압 범위는 목적이 다릅니다. 전자는 파괴나 열화를 피하기 위한 한계이고, 후자는 정상 동작을 확인하기 위한 범위입니다.

V_EE-0.3V, V_CC+0.3V로 표시되는 동상 입력 전압 한계

절대 최대 정격의 동상 입력 전압에서는 입력 단자에 인가할 수 있는 한계가 V_EE-0.3V부터 V_CC+0.3V까지와 같이 표시되는 경우가 있습니다. 이는 입력 단자의 전위를 전원 단자에 대해 어디까지 허용하는지를 나타내는 한계값의 표기입니다.

이 값은 대표적인 여유값이며, 보호 소자의 고정된 도통 문턱값이 아닙니다. 입력 단자의 전위가 이 범위를 벗어나면 입력 보호 소자나 기생 소자로 전류가 흐르고, 열화나 파괴로 이어질 우려가 있습니다.

실제 상한과 하한, 허용되는 입력 전류, 보호 회로 구성은 제품마다 다릅니다. 설계 시에는 전기적 특성에 기재된 동상 입력 전압 범위와 인젝션 전류 조건도 함께 확인합니다.

보호 소자 유무에 따른 입력 가능 범위의 차이

V_CC측에 보호 소자가 존재하지 않는 제품에서는 V_CC 전압에 직접 제한되지 않고, 다른 내압 조건으로 동상 입력 전압이 결정되는 경우가 있습니다. 따라서 동상 입력 전압은 입력 단자의 보호 회로 구성, 기생 소자, 입력 트랜지스터의 내압 등에 따라 달라집니다. 반드시 대상 제품의 데이터시트에서 확인해야 합니다.

정격 외 입력 시의 입력 전류와 보호 회로

이 장에서 다루는 입력 전류는 정상 동작 시 입력단으로 흐르는 입력 바이어스 전류가 아니라, 입력 단자에 정격 외 전압이 가해졌을 때 보호 소자나 클램프 경로를 통해 흐르는 전류입니다. 이 전류가 커지면 보호 소자, 입력단 또는 주변 회로의 열화와 파괴로 이어질 우려가 있습니다. 따라서 정격 외 입력을 상정하는 경우에는 데이터시트의 허용 입력 전류, 전류 경로, 외부 다이오드나 직렬 저항을 이용한 제한 방법을 확인합니다.

정격 외 입력 시의 입력 전류란?

정격 외 입력 시의 입력 전류는 입력 단자 전압이 차동 입력 전압이나 동상 입력 전압의 허용 범위를 벗어났을 때 입력 단자로 흘러 들어가거나 입력 단자에서 흘러나오는 전류입니다. 정상 동작 시의 입력 바이어스 전류와는 발생 조건도 확인 목적도 다릅니다. 데이터시트에서는 입력 전류, 클램프 전류, 인젝션 전류 등 제품마다 다른 이름으로 표시될 수 있으므로, 항목명뿐 아니라 측정 조건, 주석, 전류의 방향을 확인합니다.

입력 전류를 확인할 때는 전류가 입력 단자로 흘러 들어가는 조건인지, 입력 단자에서 흘러나오는 조건인지도 확인합니다. 제품에 따라 입력 전압의 극성, 전원 투입 상태, 보호 구조에 따라 전류의 방향과 크기가 달라질 수 있으므로, 보호 저항 설계에서는 대상 제품의 주석과 허용 입력 전류를 우선합니다.

입력 단자에 정격 외 전압이 인가될 때의 전류 경로

입력 단자의 전압이 V_EE-0.3V보다 낮거나 V_CC+0.3V보다 높은 등 허용 범위를 넘는 조건에서는 입력 보호 소자를 통해 전원 단자 측이나 입력 단자 사이로 전류가 흐를 수 있습니다. 전류가 커지면 보호 소자나 입력단의 열화 및 파괴로 이어집니다. 0.3V라는 값이나 전류 경로는 제품의 보호 구조에 따라 달라지므로, 대상 제품의 절대 최대 정격, 주석, 입력 전류 제한 조건을 확인합니다.

전류 경로의 방향은 입력 단자 전압이 어느 쪽으로 초과하는지에 따라 달라집니다. 정측으로 초과한 경우에는 V_CC측으로, 부측으로 초과한 경우에는 V_EE측이나 기준 전위 측으로 전류가 흐를 수 있습니다. 다만 보호 소자의 구성은 제품마다 다르므로 전류 경로를 일반화하지 말고 데이터시트의 단자 조건과 주석에 따릅니다.

보호 소자가 도통하더라도 흐른 전류를 전원 라인이나 주변 회로가 안전하게 받을 수 있다고 단정할 수 없습니다. 전원이 OFF인 상태나 전원 라인의 임피던스가 높은 상태에서는 입력 단자에서 유입된 전류로 전원 전압이 들릴 수 있습니다. 정격 외 입력을 상정할 때는 전류가 흐르는 곳과 귀환 경로도 함께 확인합니다.

클램프 다이오드로 입력 전압을 제한하는 방법

입력 단자에 정격 외 전압이 들어올 가능성이 있는 회로에서는 내장 보호 소자에만 의존하지 않고, 입력 단자 외부에서 전압을 제한하는 방법을 검토합니다. 대표적인 예가 입력 단자와 전원 라인 사이에 외부 클램프 다이오드를 넣는 방법입니다. 과전압 시 다이오드가 먼저 도통하면 입력 단자에서 V_CC측 또는 V_EE측으로 전류가 흐르고, 입력 단자 전압을 V_CC+V_F 부근 또는 V_EE–V_F 부근으로 억제합니다.

그림의 예는 OP Amp 입력 단자의 외부에 클램프 다이오드를 추가하여, 정측 과전압은 V_CC측으로, 부측 과전압은 V_EE측으로 흘려 보내는 개념을 나타냅니다. 이는 모든 제품에 공통되는 내부 구조를 나타내는 그림이 아니라, 과전압 시의 전류를 내장 보호 소자에만 맡기기 어렵게 만드는 조건을 줄이기 위한 외부 회로 예입니다.

외부 클램프 다이오드의 장점은 과전압 시의 전류 경로를 외부 부품 쪽에도 마련할 수 있다는 점입니다. 한편 클램프되는 전원 라인이 전류를 흡수할 수 없으면, 입력 단자에서 흘러 들어온 전류로 전원 전압이 상승할 수 있습니다. 다이오드의 순방향 전압, 허용 전류, 클램프 전류의 귀환 경로는 대상 제품의 데이터시트와 주변 회로 조건을 함께 보며 확인합니다.

또한 고임피던스 입력이나 미소 신호를 다루는 회로에서는 외부 다이오드의 누설 전류와 정전 용량이 입력 오차, 대역, 응답 속도에 영향을 줄 수 있습니다. 클램프 다이오드는 입력 단자 전압의 초과를 억제하기 위한 부품이며, 클램프 시의 전류를 단독으로 충분히 제한할 수 있다고 보기는 어렵습니다. 따라서 다음과 같이 직렬 저항을 함께 사용하여 다이오드나 보호 소자로 흐르는 전류를 허용값 이하로 억제하는 설계가 필요합니다.

저항으로 입력 전류를 제한하고 저항값을 구하는 방법

입력 단자에 정격 외 전압이 가해질 가능성이 있는 경우에는 입력 단자 앞에 직렬 저항을 넣어 보호 소자로 흐르는 전류를 데이터시트의 허용값 이하로 억제합니다. 그림의 예에서는 신호원과 OP Amp 입력 단자 사이에 직렬 저항을 배치하고, 과전압 시 보호 소자로 향하는 전류를 이 저항으로 제한합니다. 직렬 저항은 과전압 자체를 없애는 부품이 아니라, 클램프 후에 흐르는 전류를 제한하는 부품입니다.

저항값을 구할 때는 먼저 과전압 시 직렬 저항에 걸리는 전압을 생각합니다. 정측 과전압에서는 입력 단자의 전압이 V_CC+V_F 부근에서 클램프되므로, 예상 최대 입력 전압에서 그 클램프 전압을 뺀 만큼이 직렬 저항에 걸립니다. 이 전압에 의해 흐르는 전류가 대상 제품에서 허용되는 입력 전류 이하가 되도록 저항값을 선택합니다.

\(R_{IN}≥\displaystyle\frac{V_{IN\_MAX}-(V_{CC}+V_F)}{I_{IN\_MAX}}\)

VIN_MAX는 예상 최대 입력 전압, VF는 보호 소자의 순방향 전압, IIN_MAX는 허용 입력 전류입니다. 식의 분자가 0 이하가 되는 조건에서는 그 조건에서 정측 클램프 전류가 흐르지 않는다고 보고, 음의 저항값으로 취급하지 않도록 합니다.

부측 과전압에서는 입력 단자의 전압이 V_EE–V_F보다 낮아진 만큼을 직렬 저항으로 제한합니다. 입력 전압이 부측으로 얼마나 초과하는지를 양의 전압차로 다루므로, 입력 전압이 정측과 부측 중 어느 쪽으로 초과하는 조건인지 먼저 확인합니다.

\(R_{IN}≥\displaystyle\frac{(V_{EE}-V_F)-V_{IN\_MIN}}{I_{IN\_MAX}}\)

VIN_MIN은 예상 최소 입력 전압입니다. 부호를 잘못 다루면 저항값의 추정이 크게 어긋나므로, 식에 대입하기 전에 전류가 흐르는 방향과 클램프되는 곳을 확인합니다.

예를 들어 V_CC = 5V, V_F = 0.6V이고, 입력 단자에 최대 12V가 가해질 가능성이 있는 경우를 생각합니다. 여기서는 계산 예의 조건으로 입력 전류를 10mA 이하로 제한하고자 합니다. 정측 과전압에서 직렬 저항에 걸리는 전압은 12V – (5V + 0.6V) = 6.4V가 되므로, 필요한 저항값은 R_IN ≧ 6.4V / 0.01A = 640Ω입니다.

10mA는 이 계산 예에서 둔 조건이며, 모든 OP Amp에 일반적으로 사용할 수 있는 허용값이 아닙니다. 실제 설계에서는 대상 제품의 데이터시트에 기재된 허용 입력 전류를 우선하고, 산출값보다 큰 표준 저항값을 후보로 합니다. 아울러 저항 오차, 온도, 저항의 허용 전력, 입력 용량과의 시정수, 신호 정확도에 미치는 영향도 확인합니다.

직렬 저항을 크게 하면 정격 외 입력 시의 입력 전류는 줄일 수 있습니다. 한편 정상 동작 시에는 신호원 저항이 커진 것과 같아져, 입력 바이어스 전류에 의한 오차, 열잡음, 입력 용량과의 시정수가 증가할 수 있습니다. 입력 전류 제한만으로 판단하지 말고 보호와 신호 정확도를 모두 확인한 뒤, 필요한 응답 속도를 만족하는 범위에서 저항값을 정합니다.

정리

OP Amp의 입력 특성을 확인할 때는 입력 정확도에 영향을 주는 항목과, 파괴 및 열화를 피하기 위한 정격 항목을 나누어 보는 것이 중요합니다. 입력 오프셋 전압은 출력 오차에 영향을 주고, 입력 바이어스 전류는 신호원 저항과 조합되어 오차 요인이 됩니다. 한편 전원 전압, 차동 입력 전압, 동상 입력 전압, 정격 외 입력 시의 입력 전류는 절대 최대 정격이나 동작 조건을 넘지 않도록 확인해야 합니다.

최종적인 설계에서는 대상 제품의 데이터시트에 기재된 절대 최대 정격, 동작 조건, 전기적 특성을 확인해야 합니다. 특히 입력 바이어스 전류와 정격 외 입력 시의 입력 전류, 클램프 전류, 인젝션 전류는 서로 다른 조건의 항목이므로 혼동하지 않도록 합니다.

관련하여 확인할 항목으로는 OP Amp의 기본 동작, 증폭과 부귀환, OP Amp 제품 목록이 있습니다. 실제 URL은 공개 전에 확인하고, 본문 안의 관련 링크로 설정해 주십시오.