아날로그 신호를 가공하는 만능 IC

OP 앰프가 사용되는 곳

아날로그 회로설계에 일가견이 있는 선배에게 질문한 후 ‘그 곳에는 OP 앰프로 버퍼를 세트해두면 된다’, ‘액티브 필터를 넣어 노이즈를 제거해 둘 것인가’등의 대답에 의해 등장한 것이 OP 앰프(사진 1)이다. 대충 보면 디지털 IC와 비슷하다.

▲ 사진 1. OP 앰프의 외관 예 (① DIP-8 타입, ② DIP-14 타입, ③ SOP-8 타입, ④ SOP-14 타입)

이것을 알아두면 아날로그 회로는 생각한 그대로까지는 아니겠지만, 학교에서 배운 트랜지스터 회로의 증폭률 등 어려운 계산에서 벗어날 수 있다.

1. 신호의 전압 레벨 변환

여기서는 와이어리스 휠체어를 예로 들어 OP 앰프의 역할을 설명한다. 사양서를 보면 외부에서 휠체어에 입력하는 컨트롤 신호는 －5∼＋5V의 전압신호여야 한다. 일반적인 마이컴은 0∼5V 또는 0∼3.3V 등의 신호로 움직이고 있다. 마이컴의 출력으로 휠체어를 제어하려면 마이컴의 출력신호를 －5∼＋5V의 전압신호로 해야 한다. 마이컴 중에는 D-A 컨버터(디지털 신호→ 아날로그 신호변환기)를 내장한 것도 있어 0∼5V의 전압신호는 출력할 수 있지만 －5V에서는 출력되지 않는다.

그럴 때 도움되는 것이 OP 앰프이다. 그림 1에 와이어리스 휠체어 인터페이스부의 블록도를 나타낸다. 마이컴으로부터 출력된 신호 0∼5V를 －5∼5V로 변환하여 출력한다. 전기신호를 변환함으로써 마이컴에 의해 휠체어를 조작할 수 있게 된다.

▲ 그림 1. 마이컴 출력의 신호전압을 와이어리스 휠체어의 인터페이스 전압에 맞추는 회로

(OP 앰프를 사용한 인터페이스 회로에서 마이컴 출력의 0∼5V를 와이어리스 휠체어의 제어전압 －5∼＋5V로 변환)

2. 신호 증폭과 필터링

신호를 변환하지 않으면 안 되는 경우는 다양하다. 예를 들면 온도 센서 등의 미약한 신호를 마이컴의 A-D 컨버터에 입력할 수 있는 전압 레벨까지 크게 하거나(그림 2) 신호에 들어오는 노이즈를 제거하고(그림 3), 모터에 흐르는 전류의 이상검지를 실행하기도 한다(그림 4).

▲ 그림 2. 센서의 미소신호를 증폭하여 마이컴에 입력하는 회로

(OP 앰프를 사용한 증폭 회로에서 센서가 출력하는 신호 레벨 수μ∼mV를 마이컴의 제어전압 0∼5V로 변환)

▲ 그림 3. 잡음을 포함한 음성신호에 필터를 걸어 사람의 목소리를 출력하는 회로

(OP 앰프를 사용한 필터 회로에서 사람의 목소리만 통과시킨다)

▲ 그림 4. 모터에 흐르는 이상전류를 검지하여 디지털 신호의 출력을 반전하는 회로

(OP 앰프를 사용한 버퍼 회로, 비교 회로에서 검출신호가 미리 설정해둔 임계값을 초과했다면 디지털 신호를 반전한다)

신호를 다루는 회로를 심플하게 만들 수 있다

1. 설계에 있어서 번거로운 부분이 IC로 되어 있다

디지털 회로의 경우에는 ‘0’, ‘1’을 간단히 다룰 수 있도록 OR, AND 등의 논리 회로를 트랜지스터나 MOSFET 등으로 형성하는 게이트 IC가 발명되었다.

게이트 IC를 사용함으로써 트랜지스터의 움직임이나 회로의 전압 등을 거의 생각하지 않고 끝낼 수 있게 되었다. 이른바 그 아날로그 회로판이 OP 앰프이다.

아날로그 회로는 트랜지스터나 저항을 조합하여 만들 수 있다. 예를 들면, 그림 5(a)와 같이 트랜지스터로 앰프를 만든다.

단, 이것을 설계하기 위해서는 트랜지스터의 VCE-IC 곡선 등에서 증폭점을 구하고 바이어스 저항 등을 결정하여 겨우 완성한다. 같은 것을 OP 앰프로 구성해 보면 어떻게 될까. 그림 5(b)에 나타난 바와 같이 밖에 저항을 연결하기만 하면 된다.

▲ 그림 5. 앰프 회로의 비교 (OP 앰프를 사용하면 같은 기능을 간단하게 얻을 수 있다)

2. 신호를 다루는 회로로 다양한 용도에 사용된다

OP 앰프를 사용하여 그림 1에 나타난 와이어리스 휠체어의 인터페이스 회로를 만들었다고 생각해 보자(그림 6).

▲ 그림 6. 와이어리스 휠체어의 인터페이스 회로

(OP 앰프를 사용하여 기준전압 생성, 신호 가감산, 신호 증폭을 실행할 수 있다)

먼저 ＋2.5V의 기준 전압을 만든다(①). 제너 다이오드의 전압을 이용하여 OP 앰프에서 그 신호를 증폭한다.

다음에 2단째 OP 앰프로 0∼5V의 전압신호에서 －2.5V의 전압을 빼고 －2.5∼＋2.5V로 변환한다(②). 그리고 최후의 OP 앰프에서 －2.5∼＋2.5V의 신호를 2배 하여 －5∼5V의 신호로 한다(③). 조금 중복된 회로이지만 기준전압 생성에서 신호의 가감산과 증폭 및 다양한 기능을 OP 앰프 하나로 구성할 수 있다.

측정기의 입력저항이 작으면 정확하게 측정할 수 없다

입력신호를 테스터 등으로 측정하는 경우를 상정해 본다.

신호의 전압이 크기 때문에 저항으로 분압하여 측정한 것이다(그림 A). 입력전압이 110V라고 하면 저항비 1/11에 의해 10V로 될 것이다. 그러나 테스터 내의 저항값이 100 으로 낮아 전류가 흘러버렸을 경우, 9.17V로 되어 0.83V의 오차가 나와버린다. 이렇게 되면 정확한 측정이 불가능하다.

▲ 그림 A. 측정기의 내부저항에 의한 측정값의 오차

(측정기 내부의 입력 저항이 100㏀으로 작은 경우, 전류가 이 저항에 흘러 오차가 발생한다)

OP 앰프의 동작

1. 이상적인 OP 앰프가 갖고 있는 네 가지 성질

OP 앰프는 삼각 기호로 기록되며 ＋와 －의 입력과 하나의 출력, ＋와 －의 전원단자가 나와 있다(그림 7).

▲ 그림 7. OP 앰프의 회로 기호

동작은 간단하고 이상적인 특성은 4개이다. 실제로는 다양한 제약이 있다.

① 이상적인 OP 앰프의 경우, 출력전압 Vout은 입력 ＋의 전압을 Vin＋, 입력 －의 전압을 Vin－라고 했을 때 다음과 같은 식으로 구할 수 있다. 증폭률 A는 무한대이다.

증폭률 무한대는 현실적으로 있을 수 없다. 현실의 OP 앰프에서는 증폭률이 유한하지만 가급적 커지도록 제작되어 있다. 출력전압은 전원전압 이상으로는 되지 않으므로 전원전압의 범위내로 된다.

② 이상적인 OP 앰프의 경우, 입력 ＋와 입력 －간의 전압차가 없다. 신호가 제로라면 출력도 제로이다. 실제로는 오프셋 전압이라는 차이가 있어 신호가 없어도 출력전압이 약간 발생한다.

③ 이상적인 OP 앰프일 때, 입력단자에는 전류가 흐르지 않는다. 실제로는 입력 회로에 FET나 트랜지스터가 사용되므로 전류가 0이 되지 않는다. 오프셋 전류라 불리는 전류가 흐른다.

④ 이상적인 OP 앰프의 경우, 출력은 무한대로 전류가 흐르며 부하에 상관없이 Vout이 출력된다. 실제로는 출력전류에 한계가 있는데 그것을 넘으면 Vout을 출력할 수 없고, 경우에 따라서는 IC가 파괴된다.

어째서 겨우 이 정도 특성만 갖고 있는 부품이 그렇게 도움이 되는 것일까? 그것은 다음에 해설한다.

출력을 입력으로 되돌려서 사용한다

1. OP 앰프의 네거티브 피드백과 에어컨의 실온 조정

OP 앰프는 출력의 일부를 입력으로 되돌려 사용한다. 출력을 입력으로 되돌리는 것을 피드백이라고 한다. 피드백 기능은 OP앰프나 전자 회로뿐만 아니라 다양한 곳에서 사용되고 있다.

예를 들어 에어컨으로 실온을 일정하게 할 경우에 대해 생각해 보자. 이것은 온도 센서로 방의 온도를 검출하고 설정값과 비교하여 센서의 온도가 높아지면 ‘강’, 낮아지면 ‘약’으로 하여 방의 온도를 일정하게 유지한다.

이와 같이 출력한 영향을 검출하여 그 결과에 따라 출력을 제어하는 것을 피드백 제어라 한다.

회로의 피드백 제어도 마찬가지이다. 설정값보다 값이 크면 줄이고, 작으면 출력을 크게 하여 출력을 목표값으로 안정시킨다. OP 앰프는 이와 같은 특성을 이용하여 안정적인 앰프 회로를 만들기 위해 신호증폭으로 가산, 감산 등 간단하게 신호 처리를 실행한다.

그림 8은 입력신호 Vin의 전압을 저항의 비율 －(R2/R1)로 출력한다. 증폭률 －(R2/R1)의 반전 증폭 회로이다. ①의 특성에서 OP 앰프의 증폭률은 ∞이지만 출력신호가 입력으로 리턴되어 네거티브 피드백 루프가 구성되고 있다. 또 ②의 특성에서 Vin＋는 항상 Vin－와 같아 0V로 유지되고 있다는 점에서, 출력단자에는 입력신호를 항상 일정한 증폭률로 증폭 혹은 감쇠시킨 신호가 출력된다.

▲ 그림 8. OP 앰프를 사용한 전형적인 증폭 회로(반전증폭 회로라고 한다, OP 앰프의

중요한 사용법 중 하나인 네거티브 피드백에 의해 일정한 증폭률을 얻을 수 있다)

2. OP 앰프의 입출력 측에 접속되는 회로에 영향을 주기 어렵다

예를 들어 분압한 값을 측정한다고 하자. 측정기 내부의 입력 저항이 작을 경우, 측정값은 실제보다 작은 값으로 돼버린다(49쪽 칼럼 참조). OP 앰프를 사용하여 그림 9와 같이 한다.

▲ 그림 9. 분압한 전압을 오차 없이 출력하는 회로 (큰 전류가 흐르는 OP

앰프의 출력 특성을 이용한 회로. 출력신호의 전압은 출력 측 부하의 조건이

변해도 영향을 받지 않는다.)

③의 특성에서 OP 앰프의 입력에는 전류가 거의 흐르지 않으므로 OP 앰프를 사용하면 전압을 정밀하게 검출할 수 있다. 또한 ④의 특성에서 큰 출력전류를 흘리므로 출력 측에 부가되는 저항이 변화해도 출력신호의 전압값은 변화하지 않는다. OP 앰프의 입력에 연결되는 회로에는 영향을 미치지 않으며, 또 출력에 연결되는 회로에 영향을 주지 않고 아날로그 회로를 조립할 수도 있다(그림 10).

▲ 그림 10. 그림 9의 특성에서 OP 앰프의 입력이나 출력에 연결되는

회로에 신경 쓰지 말고 아날로그 회로를 조성한다

목적에 따른 OP 앰프의 선택 방법

실제 OP 앰프는 어떻게 선택해야 할까? 각 메이커에서 다양한 종류의 제품을 판매하고 있어 선택하기가 힘들다. 능숙한 선배들은 ‘이 용도에는 이것’이라고 하면서 자기가 자신 있는 종류를 사용하고 있다.

우선은 그림 11의 흐름에서 종류를 압축하고 마지막에 데이터 시트의 상세한 데이터를 확인하는 것이 좋을 것이다.

▲ 그림 11. OP 앰프 선택의 흐름

1. 용도에서 선택한다

① 고정밀도 타입

오프셋 전압, 입력 오프셋 전류가 있으며 실제로는 이상적인 OP 앰프 특성에서 오차가 있다는 것을 기술했다. 미소한 신호를 증폭하거나 정밀도를 올리기 위해서는 이러한 오차가 보다 적은 타입을 선택해야 한다. 데이터시트에 고정밀도, 로우 오프셋 등이라 명시되어 있는 것을 들 수 있다. 단, 고정밀도인 것은 속도가 느려지므로 주의해야 한다. 센서 입력이라는 고증폭률인 것에 사용한다. OP07, OP77(전부 맥심) 등이 유명하다.

② 고속/광대역 타입

스루 레이트(입력에 대한 출력의 응답)가 빠르고 높은 주파수까지 사용할 수 있는 타입이다. 무선 등의 고주파 기기나 필터 등에 사용된다. THS4001(텍사스 인스트루먼트) 등이 있다.

③ 로우 노이즈 타입

열잡음이나 1/f 잡음의 영향을 내린 것으로, OP 앰프 내(초단의 트랜지스터 등)에서의 노이즈를 내린 것이다. 오디오나 계측 용도 등에 사용된다. TL071, TL074, TL078(텍사스인스트루먼트) 등 오디오 용도의 저잡음 제품이 유명하다.

④ 범용

범용이라 불리는 것을 정의하는 것은 어렵지만, NJM4558(신일본무선)이나 μPA811(NEC), LM358(내셔널 세미컨덕터) 등 특별한 용도를 한정하지 않고 사용할 수 있는 것을 말한다. 몇 군데의 메이커에서 발매되고 있는(세컨드 소스) 것이 많으므로 보수 폐지(양산 정지)인 경우 등도 안심하고 사용할 수 있다.

2. 전원 타입에서 선택한다

① 전원 타입(단전원/±전원)

OP 앰프의 전원은 ＋, － 양쪽 전원이 필요한 경우가 있다. 또 단전원으로서 5V 전원만으로 동작하는 것도 있다. 마이컴의 회로 등과 혼재하면 ± 양전원을 만들기 곤란하므로 5V 단전원의 OP 앰프를 사용하고 싶지만, 전술한 것처럼 입력과 출력이 전원 전압 범위보다 작아야 한다. 때문에 5V 전원인 OP 앰프에서 5V, 0V의 신호를 다룰 경우 원하는 동작이 가능한지 주의해야 한다.

② 저소비전력 타입

저소비전력 타입은 배터리 구동기기 등에서 사용된다. 최근에는 CMOS 타입의 OP 앰프가 증가하고 있다.

3. 사양 개수로 선택한다

① 패키지

현재, 대부분의 OP 앰프는 플라스틱 DIP 또는 SOP의 패키지에 들어있다. 1개입, 2개입, 4개입 표준적이다(그림 12). 회로에서 사용하는 개수에 맞춰 선택할 수 있다. OP 앰프인 경우에는 전원 핀이나 입력 핀 위치가 거의 같다. 기억해 두면 기판을 대충 보기만 해도 대체적인 연결을 알 수 있으므로 편리하다.

▲ 그림 12. OP 앰프의 패키지 예

OP 앰프 내장의 마이컴

디지털 회로가 CPLD, FPGA로 진화되고 있는 것처럼 아날로그 회로도 프로그래머블 디바이스화가 진행되고 있다.

아날로그의 FPGA를 만들려고 하는 기획 하에서 anadigm사의 FPAA, 래티스사의 ispPACK 등 OP 앰프를 이용한 아날로그 프로그래머블 디바이스가 릴리스되었다. 단, 응용분야가 제한되어 상업적으로는 그다지 성공했다고 할 수 없었던 경우였다.

제2세대로, 아날로그 회로 부분을 마이컴의 인터페이스로서 위치 부여한 프로그래머블 디바이스가 계속해서 확장되고 있다. 사이프레스사의 PSoC 등이 선두이다. 그밖에도 액텔사의 Fusion SoC나 아날로그 디바이세스사의 아날로그 마이크로컨트롤러 등 아날로그 회로의 SoC(시스템 온 칩)화가 진행되고 있다.

1. 프로그래머블화의 열쇠는 스위치드 커패시터

프로그래머블 디바이스화에서는 반도체 상에서 저항값을 프로그래머블로 설정할 수 있어야 한다. 스위치드 커패시터는 그림 B와 같이 콘덴서와 스위치로 구성되어 있다. 스위치 전환시간(ON/OFF 시간)의 비율을 변화시켜 의사적으로 가변저항을 구성한다.

▲ 그림 B. 스위치드 커패시터의 구성 (콘덴서의 전하를 스위칭에 의해

제어함으로써 의사적으로 가변저항을 구성할 수 있다. OP 앰프의

프로그래머블화의 열쇠를 쥐고 있는 기술)

단, 전환 속도는 취급하는 신호의 주파수보다 충분히 높게 해야 한다.

OP 앰프를 사용한 기본 회로

OP 앰프를 사용한 회로는 많이 있다. 여기서는 가장 기본적인 회로를 여러 점 소개한다. OP 앰프를 이용한 아날로그 신호 처리에서는 이들을 조합하거나 대체하여 만드는 경우가 많다.

와이어리스 휠체어용 인터페이스 회로도 비반전 증폭 회로와 감산 회로, 기준전원 회로를 조합하면 완성된다.

예를 들어, 오디오의 믹싱 앰프를 작성할 경우에는 가산 회로로 입력신호를 가산하면 완성되며, 오디오의 L(Left) 채널과 R(Right) 채널의 신호를 감산 회로에서 뺄셈하면 보컬이 빠지는 가라오케 회로가 된다. 또한 L 채널과 R 채널의 레벨을 내리고 반대 측에 가산하면 의사 서라운드 회로가 되는 등 다양한 부분에 응용할 수 있다.

1. 반전 증폭 회로(그림 13)

입력신호를 반전 증폭하여 출력한다.

▲ 그림 13. 반전 증폭 회로

2. 비반전 증폭 회로(그림 14)

입력신호를 반전하지 않고 증폭한다.

▲ 그림 14. 비반전 증폭 회로

3. 가산 회로(그림 15)

입력신호를 가산한다.

▲ 그림 15. 가산 회로

4. 감산 회로(그림 16)

입력신호를 감산한다.

▲ 그림 16. 감산 회로

5. 적분 회로(그림 17)

입력신호를 적분한다.

▲ 그림 17. 적분 회로

6. 미분 회로(그림 18)

입력신호를 미분한다. 입력신호의 변화를 검출한다.

▲ 그림 18. 미분 회로

7. 버퍼 회로(그림 19)

입력전류가 거의 없는 것을 이용하여 전압을 검출할 수 있다.

▲ 그림 19. 버퍼 회로

8. 기준 전원 회로(그림 20)

각종 기준전압원을 제작한다.

▲ 그림 20. 기준 전원 회로

9. 이상적인 다이오드 회로(그림 21)

다이오드의 순방향 전압강하를 취소할 수 있는 회로이다. 신호검출 등에 도움이 된다.

▲ 그림 21. 이상적인 다이오드 회로

10. 정전류 회로(그림 22)

정전류의 출력회로이다. 전류 검출 회로 등에 응용할 수 있다.

▲ 그림 22. 정전류 회로

11. 콤퍼레이터 회로(그림 23)

전압 비교를 실행한다.

▲ 그림 23. 콤퍼레이터 회로

12. 히스테리시스 장착 콤퍼레이터 회로(그림 24)

ON/OFF의 히스테리시스가 장착된 콤퍼레이터 회로이다.

▲ 그림 24. 히스테리시스 장착 콤퍼레이터 회로

13. 리밋 회로(그림 25)

Vref로 입력을 제한한다.

▲ 그림 25. 리밋 회로

1V의 규준은 주파수로 결정하고 있다

전압이나 저항의 정의는 시대와 함께 변한다. 현재 전압의 규준은 조셉슨의 초전도 터널 효과라는 현상을 이용하여 결정되고 있다. 조셉슨 효과란, 두 가지의 초전도체(납)에서 산화막을 샌드위치 형태로 한 것에 외부로부터 고주파(마이크로파)를 접촉할 경우 전압이 발생하는 현상이다(그림 C). 이 f-V(주파수-전압) 변환에 의해 주파수의 정밀도(약 10－8)로 전압을 정의할 수 있도록 되었다. <漆谷 正義>

▲ 그림 C. 조셉슨 효과의 모식도

필자가 선택하는 OP 앰프 메이커

조립 CPU일 때 PIC, 78kx2, H8, Atmel 등이라고 하면 ‘오, 이 녀석 실력 있는데’라고 생각된다. 그러한 OP 앰프 메이커를 정리해 보았다(표 1). OP 앰프의 발상지인 미국 회사가 많으며 OP 앰프에 의해 커진 회사도 많다. OP 앰프의 역사 등을 조사해보면 어째서 OP 앰프와 디스크 메이커가 끊을 수 없는 관계인지 알 수 있다.

▲ 표 1. 필자가 선택하는 OP 앰프 메이커

相田 泰志

本 記事는 日本CQ出版社가 發行하는 「トランジスタ技術」誌(2007年5月號)와의 著作權協定에 依據하여 提供받은 資料입니다.