#10-2. 연산 증폭기(OP-Amp) 활용법 - 비교기와 버퍼

이전 포스팅 #10에선 OP-Amp의 동작원리를 알아보았고

#10. 연산 증폭기 (OP-Amp) - 신호 돋보기

 

#10-1에선 연산증폭기를 활용한 증폭 회로(반전/비반전)에 대해 살펴봤다.

#10-1. 연산 증폭기(OP-Amp) 활용법 - 반전/비반전 회로

 

이전의 반전/비반전 증폭 회로에서는 OP-Amp와 저항이 곁들어진 메인요리였다면, 오늘 배워볼 내용은 단순 OP-Amp만으로 간단하게 구성된 회로들이다.

본격적으로 회로의 만능 식재료, 연산증폭기를 활용한 코스요리의 디저트를 장식할 비교기와 버퍼에 대해 알아보자.

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비교기 (Comparator)

비교기라는 명칭에서부터 무언가를 비교한다는 것을 알 수 있다.

회로라고 할 것도 없이 간단하지만, 아래 그림을 보며 비교기의 동작을 살펴보자.

비교기 회로

 

(+), (-) 입력단에 각각 신호 Va와 Vb를 인가한 형태이다.

이 때, 연산증폭기의 출력 신호 Vout은 Va와 Vb의 차이에 연산증폭기의 고유 이득 A가 곱해진 형식으로 출력된다.

연산 증폭기 출력 신호의 식

 

보통 A는 무한에 가깝게 크다고 했으므로 Vout은 Va > Vb일 경우 아~주 큰 값, Vb > Va일 경우 매우 작은 값을 갖는다.

다만 증폭기의 일반적인 최대/최소값은 공급 전압 Vcc/Vss로 제한된다.

(+ 연산증폭기의 출력신호가 공급 전압에 도달한 상태를 포화상태, Saturation 되었다고 표현한다.)

 

따라서 Vout은 Va가 Vb보다 크면 Vcc, Vb가 Va보다 크면 Vss로 정해진다.

비교기 출력 신호의 식

 

이렇게 놓고보니 아~ 이래서 비교기라고 하는구나 !! 를 직관적으로 알 수 있다.

 

만약 Vb를 0 V와 Vcc 사이의 상수로 놓고 Va를 0 V에서 Vcc까지 증가시킨다면, 출력신호 Vout을 다음과 같은 결과를 얻는다.

비교기 동작 예시 그래프

 

한 마디로 비교기(Comparator)는 입력단의 두 신호 중 더 큰 값에 따른 출력을 나타내는 회로라고 생각하면 된다.

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버퍼 (Buffer)

버퍼의 사전적 의미는 완충제이다.

외부 자극을 줄이고 완충제 역할을 한다는 의미로 회로에서도 사용되는 버퍼 !

다른 회로의 자극으로부터 특정 신호를 지기위 위한 존재라고 할 수 있는 버퍼에 대해 살펴보자.

버퍼 회로

 

(+)입력단에는 입력 신호를 넣고 (-)입력단은 출력단과 연결시킨 형태를 보인다.

양 입력단의 전압이 같은 성질을 고려한다면 Vout과 Vin은 같음을 알 수 있다.

즉, 입력한 신호를 그대로 출력으로 내보내는 것이다.

쉽게 말해서 이득이 없다. (사실 이득 Gain = 1)

 

그렇다면 버퍼는 왜 사용하는 것일까?

 

Vin이 신호 특성상 아주 예민하고 민감한 친구라면, 외부의 작은 자극에도 쉽게 신호가 흔들릴 것이다.

이를 막기 위하여 버퍼는 Vin을 유지하며 신호를 전달하기 위해 사용된다.

아래 예시를 한 번 살펴보자.

예시 회로

 

Vin을 R1을 통해 RL로 전달한다고 생각할 때, RL에 걸리는 전압 Vout은 R1과 RL의 값에 따라 달라지게 되고, 기본적으로 Vin보다 작은 전압으로 전달된다.

하지만 만약 RL이 R1보다 월등히 크고 무한에 가깝다면?

Vout은 거의 Vin과 같아질 것이다.

따라서 연산증폭기의 입력 임피던스가 매우 크다는 것을 이용하여 버퍼를 구성하면 다음과 같이 버퍼를 사용할 수 있다.

버퍼 예시 회로

 

연산증폭기의 입력단으로는 전류가 출입하지 않으므로 온전한 Vin을 입력으로 받을 것이고, 이를 출력단으로 전달한다.

어떤가? 이 경우 Vout은 R1과 RL값에 상관없이 Vin이 된다.

 

즉, 버퍼는 입력 받은 신호를 출력단의 연결과 상관없이 보존하기 위한 회로라고 할 수 있다.

사실 이 외에도 다양한 종류의 버퍼가 있지만, 연산증폭기를 이용하여 이렇게 간단하게 구현 할 수 있다는 것을 알려주고 싶었다.

 

위 작성 내용이 누군가에게 꼭 도움이 되리라 믿으며 오늘의 포스팅을 마치겠다 :)