오프앰프 입력 임피던스 이해: 정의, 중요성, 계산 가이드

먼저 명확히 하자면, 오프앰프(Op-Amp)는 연산 증폭기(Operational Amplifier)를 뜻합니다. 이 소자는 고이득 전자 전압 증폭기(DC 커플드)입니다. 단일 출력과 독특한 입력 저항을 가집니다. 또한 아날로그 전자 회로의 기본 구성 블록입니다. 임피던스는 전압과 입력 전류의 상관관계를 보여줍니다. 오프앰프의 입력 임피던스 이야기를 할 때는 회로 자체인지 칩 자체인지 명확히 해야 합니다.

차이점은 무엇일까요? 전자는 오프앰프 회로 자체를, 후자는 칩 내부 회로를 다룹니다.

더 알고 싶으신가요? 오프앰프 출력 임피던스가 낮은 이유, 계산 방법 등을 자세히 설명해 드리겠습니다.

집적 회로 오프앰프의 일반적인 입력 임피던스는?

입력 임피던스 오프앰프

오프앰프 주위에 회로를 구성하면 차동 입력 전압 임피던스를 변경할 수 있습니다. 피드백 적용 방식과 외부 전자 부품이 전체 회로 입력 임피던스와 신호 소스에 영향을 줍니다.

두 가지 입력 임피던스가 있습니다: 공통 모드(Zcm+ & Zcm-)와 차동(Ziff). 전자는 입력 단에서 그라운드로 향하는 임피던스, 후자는 두 입력 사이의 임피던스를 의미합니다.

이 임피던스들은 보통 높고 저항성입니다(10⁵ ~ 10¹² 옴). 즉, 고임피던스 입력 소자입니다. 션트 커패시턴스가 최대 20~25pF까지 있을 수 있습니다.

대부분 오프앰프 회로에서 반전 및 비반전 입력 임피던스를 낮은 값으로 줄일 수 있습니다. 음성 피드백을 이용하면 됩니다(차동 및 공통 모드 입력 임피던스가 더 중요하므로). 반전 및 비반전 입력 단자도 마찬가지로 중요합니다.

또한 오프앰프 회로의 입력 임피던스는 보통 높습니다. 오프앰프가 전압 분배기처럼 작동하기 때문입니다.

따라서 임피던스가 높을수록 오프앰프 입력단에 더 많은 전압이 걸립니다. 하지만 입력 임피던스가 낮으면 회로에 전압 강하가 없어 신호를 얻을 수 없습니다.

출력 임피던스 오프앰프

출력 임피던스 오프앰프는 입력 임피던스와 유사하지만, 더 많은 전류를 공급해야 할 때 소스의 겉보기 전압이 얼마나 변하는지를 나타냅니다. 예를 들어, 부하가 걸리지 않은 배터리가 부하가 걸린 배터리보다 전압이 높은 것에서 전류 소스 임피던스를 확인할 수 있습니다.

오프앰프 차동 증폭기

출처: 위키미디어 커먼즈

예를 들어 오프앰프에 6V 출력 신호가 있고 개방 회로로 전위차 전압을 측정한다고 합시다. 회로가 개방되어 있으므로 전류는 0A입니다. 전압은 6V입니다. 이 시점에서 출력을 피드백 저항에 연결할 수 있습니다. 오프앰프 피드백 회로의 출력 전류가 60mA가 되도록 연결합니다.

또한 저항 양단 전압을 측정하면 약 5.99V가 나옵니다.

이를 통해 오프앰프 출력 임피던스를 구할 수 있습니다:

-6V/0mA – 5.99V/60mA = 0.2 옴.

결과 단위가 왜 변했을까요? 첫째, 낮은 소스 임피던스는 오프앰프가 큰 전압 변화 없이 많은 전류를 싱크(sink)할 수 있음을 나타냅니다. 또한 결과에서 오프앰프 입력 임피던스가 오프앰프 출력 범위 신호를 보여주는 것의 부하 임피던스와 유사함을 알 수 있습니다.

또한 오프앰프 출력 임피던스와 출력 전위는 오프앰프 신호를 받는 것의 소스 임피던스와 유사합니다. 따라서 적당히 낮은 부하 임피던스와 공급 전류로 소스가 부하를 구동하면 무겁게 로드됩니다. 전압 신호는 높은 전류와 더 큰 이득을 필요로 합니다.

즉, 소스 임피던스가 낮아도 소스는 전압 처짐 없이 전류를 공급할 수 있습니다. 전압 처짐을 줄이려면 부하 임피던스가 소스 임피던스보다 크도록 하세요.

따라서 높은 부하 임피던스는 높은 부하 임피던스에서 적은 전류와 전력을 의미합니다.

이상적인 오프앰프 임피던스

이상적인 오프앰프 임피던스의 특징 중 하나는 무한한 입력 임피던스와 무한한 이득을 가진다는 것입니다. 또한 입력 리드로 들어가는 전류 흐름이 0이라는 뜻입니다. 입력 단자(비반전 및 반전)로 전류가 들어가거나 나가지 않기 때문입니다. 따라서 더 높은 단일 이득을 가집니다.

또한 이상적인 오프앰프는 출력 임피던스가 0입니다. 즉, 출력 전류가 출력 전압과 무관합니다. 따라서 이상적인 오프앰프는 부하에 전압을 전달하기 위해 출력 임피던스가 필요하지 않습니다.

요약하면 출력 임피던스는 0 또는 낮고, 입력 임피던스는 무한대 또는 높은 입력 임피던스라고 할 수 있습니다.

입력 임피던스와 출력 임피던스 계산 방법

임피던스는 전압과 전류의 관계를 보여주므로 ΔI/ΔV 비율로 표현할 수 있습니다. ΔI는 전류 변화, ΔV는 전압 변화를 의미합니다.

입력 바이어스 전류 차이를 입력 공통 모드 전압 범위 차이에 대해 측정할 수도 있습니다.

출력 임피던스, 개방 루프 이득 방정식, 소스 임피던스 같은 파라미터가 필요합니다. 이를 이용해 전압 분배 원리로 출력 및 입력 전압을 구할 수 있습니다.

(Zin/(Rs + Zin)) Vin = Vsource — (1)

각 항목:

• Rs — 소스 임피던스
• Zin — 입력 임피던스
• Vin — 증폭기 기준 전압
• Vsource — 입력 전압

아래 공식으로 출력 부하 전압도 계산할 수 있습니다:

Vout × (Rload/(Rload + Zout)) = Vload — (2)

각 항목:

• Rload — 부하 저항
• Zout — 증폭기 출력 임피던스
• Vload — 부하 양단 전압
• Vout — 증폭기 출력

Vout을 입력 전압 이득 배수로 치환할 수도 있습니다.

출력 임피던스 측정 가능한가요? 물론입니다. 하지만 테브난 등가 회로로 측정해야 합니다:

• Vo/Is = Zout — (3)
• 각 항목:
• I — 출력이 단락일 때 출력 전류
• Vo — 출력이 개방 회로일 때 출력 전압

위 공식은 전류와 출력 전압의 선형 관계에서 유래했음을 유의하세요.

오프앰프 전압 증폭기

출처: 위키미디어

오프앰프 입력 임피던스가 무한대인 이유

일반적으로 임피던스는 회로가 전류 흐름(직류 또는 교류)을 방해하는 정도를 나타냅니다. 이상적인 오프앰프에서 두 입력 단자의 임피던스는 무한대입니다. 입력 단자에서 오프앰프로 전류가 흐르지 않기 때문입니다.

따라서 입력이 전압을 감지하고 반응할 수 있게 하지만, 전압이 오프앰프로 전류를 보내지 않게 합니다.

즉, 오프앰프가 입력 전압에 영향을 주지 않습니다. 하지만 실제로는 오프앰프 입력 회로에 미세한 누설 전류가 있습니다(보통 몇 밀리암페어 미만).

오프앰프 출력 임피던스가 낮은 이유

오프앰프 출력 임피던스가 낮은 이유는 출력이 전달하는 전압이 일정하기 때문입니다. 출력이 부하를 증가시키는 회로에 연결되어도 전압은 일정하게 유지됩니다.

하지만 실제로는 오프앰프 출력 임피던스가 보통 몇 옴 정도 있습니다. 따라서 출력 단자의 실제 전압은 출력에 연결된 부하에 따라 달라집니다.

마무리

오프앰프 입력 임피던스가 높은 것은 당연합니다. 오프앰프는 전압 이득 소자이기 때문입니다. 높은 임피던스는 입력단에 전압 강하를 허용합니다. 또한 적은 전류 소모를 유지하고 로딩 효과를 방지하는 데 도움이 됩니다.

이 주제에 대해 어떻게 생각하시나요? 계산 도움이 필요하신가요? 질문이나 제안 사항이 있으시면 언제든 연락 주세요.