계측 증폭기(Instrumentation Amplifier) 이해와 설계

계측 증폭기란?

계측 증폭기(Instrumentation Amplifier)는 엔지니어가 저항 하나만 바꿔 회로 이득을 미세 조정할 수 있게 합니다. 일반 차동 증폭기는 여러 저항을 바꿔야 합니다. 차동 증폭기 기반 위에 단일 가변 저항을 추가해 이 편의성을 얻습니다.

회로 동작 원리

버퍼된 차동 단과 두 버퍼 섹션을 연결하는 세 추가 저항으로 구성됩니다. 모든 저항이 동일하나 R_gain만 다릅니다.

좌측 상단 오피앰프의 부 피드백이 점 1(R_gain 상단) 전압을 V_1에 맞추고, 하단 오피앰프가 점 2(R_gain 하단)를 V_2에 고정합니다. 이로써 R_gain 양단에 V_1과 V_2 차이만큼 전압 강하가 생깁니다. 오피앰프 입력 전류는 무시할 만하므로 R_gain 인접 두 저항을 같은 전류가 흐르며, 점 3과 4 사이 전압 강하는:

우측 표준 차동 증폭기가 이 강하를 1배 증폭합니다(주변 저항이 같을 때).

왜 계측 증폭기를 쓰는가?

배치가 복잡해 보이지만 두 큰 장점이 있습니다.

• V_1, V_2에서 극도로 높은 입력 임피던스: 각 입력이 자오피앰프 비반전 입력에 직결되므로.
• R_gain 하나로 간단히 이득 조절.

대수를 정리하면 전체 전압 이득 식은:

실제로 R_gain만 바꿔도 차동 이득이 변합니다. 다른 저항을 건드려도 이득 조절은 가능하나 완벽한 대칭을 위해 균형 잡힌 변경이 필요합니다. R_gain을 무한대(개방)로 두면 최소 이득 1이 나옵니다.

핵심 요약

• 계측 증폭기는 높은 입력 임피던스와 단일 저항 이득 제어로 정밀 측정 회로에 이상적입니다.

참고 자료

• 가산기 및 감산기 오피앰프 회로 워크시트