지레 비유로 이해하는 분배 피드백 증폭기

분배 피드백 증폭기 회로를 직관적으로 이해하려면 친숙한 기계 시스템인 지레(lever)를 떠올려 보세요. 지레의 양 끝이 입·출력 전압, 지점(fulcrum)이 물리적 접지든 가상 접지든 피드백 기준 역할을 합니다.

앞서 본 고전적 비반전 오피앰프를 예로 들면, 이득은 1 미만이 될 수 없습니다. 지레 그림과 회로도를 짝지어 지레 팔 길이를 저항값에 대응시키면 전압 변화가 기계적 변위로 어떻게 변환되는지 시각화할 수 있습니다.

물리학에서는 이 배치를 3급 지레(third-class lever)라고 부릅니다. 힘(입력)과 하중(출력)이 지점 같은 쪽에 있기 때문입니다. 3급 지레는 출력이 입력 이상으로 변위하며, 이는 비반전 증폭기의 ≥1 이득과 일치합니다.

지레 입력점을 위로 밀면 양의 입력 전압을 가하는 것과 같습니다. 지레 기하학이 동작을 증폭해 출력점이 입력의 2배 거리, 같은 방향으로 움직입니다. 회로에서 출력 전압은 입력의 2배, 극성 유지.

지레의 변위 증폭 특성 탓에 '출력'점은 '입력'점보다 2배 멀리, 같은 방향으로 움직입니다. 전자 회로에서 출력 전압은 입력의 2배, 같은 극성. 음의 입력 전압은 지레를 '영' 위치에서 아래로 미는 것과 같아 증폭된 출력 변위도 음이 됩니다.

저항 비 R₂/R₁을 바꾸면 입력점이 지점 대비 어디에 놓이는지 바뀌어 기계적 이득이 조절됩니다. 예컨대 R₂를 R₁ 대비 키우면 지레가 옮겨져 출력 변위가 입력의 4배가 됩니다.

이제 어떤 입력 신호든 2배가 아닌 4배로 증폭됩니다.

반전 구성도 지레 비유로 매핑 가능하지만, 기계적 급수가 다릅니다. 여기선 피드백 분배기의 접지점이 오피앰프 반전 입력이므로, 입력이 지점 한쪽에, 출력이 다른 쪽에 놓이는 1급 지레가 됩니다.

두 저항이 같으면(지레 양쪽 팔 길이 동일), 출력 변위 크기는 입력과 같지만 방향이 반대입니다. 따라서 양 입력이 음 출력을 냅니다.

R₂/R₁을 다시 조정하면 지점 위치가 옮겨져 이득이 변합니다. R₂가 R₁의 2배면 지레 기하학상 이득 –2. 반대로 저항값을 바꾸면 지점이 출력 쪽에서 1/3 지점으로 이동, 이득 –½.