학문
내일도손꼽히는호두과자
연산증폭기의 가상단락은 왜 성립하나요?
연산증폭기의 가상단락이 성립하는 이유가 궁금합니다. 개방 루프 이득, 음되먹임, 입력 임피던스, 입력 전압 차도 알려주세요. 비반전 증폭기, 반전 증폭기, 포화 영역, 실제 연산증폭기의 한계, 이득 대역폭도 궁금합니다. 적분기, 미분기, 슬루율, 오프셋 전압, 전원 전압, 회로 해석 순서, 시험 문제, 시뮬레이션, 차동 증폭기, 필터 회로도 알고 싶습니다
6개의 답변이 있어요!
안녕하세요. 강세훈 전문가입니다.
가상단락은 큰 개방 루프 이득과 음되먹임으로 두 입력 전압 차가 거의0이 되는 현상입니다.
V+=V-,I+I-=0으로 놓고 키르히호프 법칙으로 회로를 해석하는 핵심원리랍니다.
채택 보상으로 214베리 받았어요.
채택된 답변안녕하세요. 박재화 전문가입니다.
연산증폭기는 두 입력 전압의 아주 작은 차이도 크게 증폭하는데, 음되먹임을 걸면 출력이 조절되면서 두 입력 전압이 거의 같아지게 됩니다.
이것을 가상단락이라고 하고 실제로 연결된 것은 아니고, 입력 임피던스가 매우 커서 입력 단자로 흐르는 전류도 거의 없습니다. 반전 증폭기는 신호를 뒤집어 증폭하고 비반전 증폭기는 같은 방향으로 증폭하며, 저항값으로 증폭률을 정할 수 있습니다.
다만 실제 연산증폭기에는 전원 전압, 이득 대역폭, 슬루율, 오프셋 전압 등의 한계가 있고 출력이 범위를 넘으면 포화됩니다. 저항과 커패시터를 이요한다면 적분기, 미분기, 필터, 차동 증폭기 등을 만들 수 있게 되고, 회로 해석에서는 먼저 음되먹임과 포화 여부를 확인한 뒤 가상단락 조건을 적용하면 이해하기 쉽습니다.
안녕하세요.
연산증폭기의 가상단락은 큰 개방 루프 이득과 음되먹임 때문에 두 입력 단자의 전압 차이가 거의 0이 되는 현상이에요. 실제로 연결된 것은 아니고, 입력 전류 또한 거의 흐르지 않아요.
이 원리를 이용한다면 반전 및 비반전 증폭기와 적분기, 미분기 등의 해석이 가능하죠. 다만 출력 포화나 이득 대역폭, 슬로율, 오프셋 전압 같은 실제 소자의 한계가 있으면 가상단락이 성립하지 않을 수 있어요.
감사합니다.
안녕하세요. 이수민 전문가입니다.
연산증폭기는 두 입력 단자의 전압 차이에 개방 루프 이득 A를 곱해 출력해요. A는 보통 10만~100만 배라서, 출력이 전원 전압 범위 안인 ±10V 정도에 머물려면 입력 전압 차는 10V를 A로 나눈 수십 μV 이하여야 해요. 사실상 0이라 두 입력 전압이 같다고 놓고 계산하는데, 이를 가상단락이라고 불러요.
이 상태는 음되먹임이 걸려 있을 때만 유지돼요. 출력의 일부를 반전 입력으로 되돌리면, 출력이 너무 커질 때 반전 입력 전압도 따라 올라가 차이를 줄이는 쪽으로 출력이 내려와요. 이 조정이 순식간에 반복돼 두 입력이 거의 같은 지점에서 멈춰요. 되먹임이 없거나 양되먹임이면 출력이 전원 전압까지 치솟아 포화되고 가상단락은 깨져요. 입력 임피던스도 매우 커서 입력 단자로는 전류가 거의 흐르지 않아요.
회로는 음되먹임을 확인하고, 두 입력 전압을 같게, 입력 전류를 0으로 놓은 뒤 키르히호프 법칙으로 풀어요. 이렇게 풀면 반전 증폭기 이득은 −Rf/Rin, 비반전 증폭기는 1 + Rf/Rin이 나와요. 실제 소자는 이득과 대역폭의 곱이 일정해서, 이득 대역폭이 1MHz인 칩으로 이득을 100배 잡으면 10kHz까지만 제대로 증폭해요. 출력이 바뀌는 최대 속도인 슬루율과 입력 오프셋 전압도 계산값에서 벗어나게 만들어요 :)
안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.
이상적인 연산증폭기는 무한대에 가까운 개방 루프 이득과 입력 임피던스를 지니고 음되먹임이 걸릴 때 극미한 입력 전압 차만으로도 전체 출력을 안정적으로 제어할 수 있어 두 입력 단자의 전위가 같아지는 가상단락이 성립합니다. 이를 활용한 비반전 증폭기와 반전 증폭기는 저항 비로 이득을 결정하며 출력 전압이 전원 전압 범위를 벗어나면 왜곡이 발생하는 포화 영역에 진입하게 됩니다. 실제 연산증폭기는 주파수에 따른 이득 대역폭의 제한 출력 변화 속도를 구속하는 슬루율 내부 불균형으로 생기는 오프셋 전압 등의 한계를 가집니다 이러한 특성은 차동 증폭기나 신호를 누적 변환하는 적분기와 미분기 노이즈를 걸러내는 필터 회로를 설계할 때 반드시 고려해야 합니다. 회로를 분석할 때는 가상단락과 키르히호프 법칙을 순서대로 적용해 수식을 유도하며 이는 대학 전공 시험 문제 해결이나 회로 시뮬레이션 검증 과정에서도 필수적으로 사용되는 핵심 방법론입니다
안녕하세요. 최정훈 전문가입니다.
연산증폭기에서 가상 단락이 생기는 것은 엄청나게 큰 개방 루프 이득과 음되먹임 때문이죠. 왜냐하면은 증폭기 이득이 거의 무한대입니다. 그래서 출력이 입력으로 돌아오면서 두 개의 입력 단자의 전압 차이가 0에 가까워지죠. 거기다가 입력 임피던스까지 엄청나게 큽니다. 그래서 전류가 아예 안 들어가는 거죠. 그래서 비반전이랑 반전 증폭기 회로를 부실 때 두 개의 단자가 진짜로 붙어있는 것처럼 가상 단락으로 가정하고 쉽게 계산하실 수가 있으실 겁니다.
근데 출력이 전원 전압 한 개에 닿으면은 포화 영역에 빠집니다. 그래서 증폭을 더 못 하게 되죠. 그리고 실제 앰프는 이득 대역폭이나 슬루율 같은 한계 때문에 고속 신호에서 오차가 생기기도 합니다. 그러니까 이런 제약을 생각하면 저항이란 커패시터를 엮으면서 적분기나 미분기, 필터 회로를 만들 수가 있는 거죠.