특수 기능이 추가되는 최근의 연산 증폭기

[산업일보]
일반적인 제조사들은 수십, 수백 개의 연산증폭기를 보유하고 있다. 전자회로 설계자들이 필요로 하는 요구사항이 계속 발전함에 따라 연산 증폭기도 어떻게 발전해 왔는지를 수많은 연산증폭기를 통해 확인할 수 있다.

여러 가지 전기적사양 중 일부에 우선순위를 두게 되면 다른 사양은 항상 손해를 볼 수 밖에 없게 된다. 예를 들어, 일반적인 고속 연산증폭기는 낮은 대역폭을 가진 제품보다 더 많은 전력을 소모하게 되는 것이다. 이 미묘한 균형은 왜 ‘완벽한’ 연산증폭기가 존재하지 않는지에 대한 답을 제공한다. 모든 애플리케이션은 각기 다른 요구사양을 갖고 있으며 이러한 이유로 지난 70년 동안 많은 연산증폭기 제품이 존재하게 됐던 것이다.

몇몇 제조사들의 제품을 교차-참조해보면 4가지의 일반적인 제품 카테고리를 발견하게 된다. 그것은 범용, 고속, 정밀 및 저전력이다. 이들 카테고리를 검토하면 설계자들이 오늘날 어떤 연산 증폭기를 찾는지에 대한 정보를 얻을 수 있다.

모든 연산 증폭기들은 오픈루프 게인(Open-loop gain), 커먼모드 리젝션(Common-mode rejection)과 파워서플라이 리젝션 (Power supply rejection) 항목에서 우수한 성능을 얻어야 한다. 각 애플리케이션들도 공급 전압과 입출력 동작 범위에 대한 자체 요구조건이 있으며 특정한 항목에서 필요한 성능을 강화해 매우 특화된 연산 증폭기가 개발되기도 했다.

일반적으로 고속 연산증폭기는 광대역폭(≥50 MHz) 특성으로 특화돼 있으며 정밀 및 저전력 연산증폭기들은 각각 낮은 오프셋 전압 (≤1 mV) 과 낮은 대기전류 (<1 mA) 에 특화돼 있다. 그러나 범용 연산증폭기는 이러한 영역들 중 어떤 항목에도 특화되지 않는다.

그런데 이들 사양은 상호 배타적이지 않아서 한 연산증폭기가 여러 카테고리에 포함되기도 한다. 이렇게 특화된 소자들은 엔지니어들의 설계필요에 따라 개발됐기 때문에 이에 따라 본 원고에서는 이들이 사용된 일부 애플리케이션을 살펴보고자 한다.

고속 연산증폭기는 광대역 동작주파수와 빠른 슬루율(Slew rate)을 갖는다. 이 소자는 고속 아날로그-디지털 컨버터를 구동하는 데에 종종 사용되며 명칭에서 암시하는 바와 같이 매우 빠른 아날로그 신호 샘플링이 필요한 곳에 사용된다.



현재의 통신 시스템 및 비디오는 모두 고속제품을 사용한다. 이러한 고속제품을 만드는데 사용된 기술들은 연산증폭기의 공급전류를 증가시키거나 연산증폭기를 구성하는 소자의 크기를 증가시키는 결과를 가져왔다. 고속 연산증폭기는 증폭기 자체적으로 더 많은 전류를 소비하는 경향이 있지만 빠른 슬루율을 유지하기 위해 더 많은 출력전류를 공급할 수 있다.

정밀 연산증폭기는 낮은 오프셋 전압과 온도에 대한 낮은 오프셋 변화 특성을 갖는다. 이 소자들은 자동 영점 조정 기술을 사용하는데 이 기술은 다른 증폭기를 사용해 주 증폭기에 내재된 오프셋을 제로로 만드는 것이다. 그 결과 수 밀리 볼트에서 수십 마이크로 볼트의 범위로 오프셋을 크게 감소시킨다.

다양한 피드백 제어와 전력 모니터링 시스템은 오프셋 전압에 의해 발생한 에러를 감소시키는 장점이 있다. 이러한 장점의 결과로써 자동 영점 조정 회로에서 사용한 전력이 증가하게 된다. 따라서 최저 오프셋을 갖는 많은 증폭기들이 DC 애플리케이션용 저 대역폭으로 사용하게 된다.

저전력 연산증폭기는 전자제품들의 고효율 요구조건에 대응하기 위해 제작됐다. 이와 같은 연산 증폭기는 저전력 소비를 염두에 두고 설계됐으며 공간제약 있는 곳에 사용하기 위해 작은 패키지로 제작된다.

제조 기술의 발달에 따라 성능을 크게 희생하지 않는 저전력연산 증폭기들이 개발됐다. 그러나 요구되는 출력파워가 감소됨에 따라 낮은 소모전류를 얻기 위해 슬루율과 출력전류를 감소하게 됐다.

최근의 연산 증폭기는 엄밀히 말해 연산 증폭기라고 할 수 없는 구성을 갖고 있다. 과거에는 여러 외부 부품들과 함께 연산 증폭기들이 사용됐으나 이제는 그 모든 회로를 하나의 칩이나 패키지에 담고 있다. 현대의 제조 기술이 예측 가능한 성능을 제공함에 따라 설계자들은 더 이상 각 부품들의 편차까지 고려할 필요가 없게 되었다.

오늘날 대부분의 연산 증폭기는 주파수 응답과 게인-대역폭이 내부적으로 정의된다. 전류 감지, 계측 및 차동 증폭기들은 우리가 알고 있는 연산 증폭기가 적용되는 애플리케이션 회로들이다. 예를 들어, 전류 감지 및 계측용 연산증폭기들은 일반적으로 정밀 제품군에 포함된다.

연산 증폭기는 아날로그 전자 제품의 핵심 블록으로서 사용돼 왔다. 여전히 이 같은 역할을 하는 연산 증폭기는 기술의 혁신에 따라 단순한 상용 소자 이상의 성능을 갖게 됐다.

설계자들은 지속적으로 보다 많은 기능들을 집적하려 하며 제조사들은 보다 나은 기술과 설계를 통해 이를 지원하는 방법을 모색하고 있다. 그 결과 전통적인 연산 증폭기와 겉모양은 비슷하지만 독특하고 아주 전문화된 제품들의 출현이 계속될 전망이다.