연산증폭기(Op Amp)를 사용한 아날로그 회로 설계 기술

1. 연산증폭기란 무엇인가?

연산증폭기(Op Amp ; Operational Amplifier)는 고이득의 직류전압 증폭기에 해당하는 아날로그 회로를 하나의 반도체 소자(IC ; Integrated Circuits)에 집어넣어 누구나 이를 쉽고 간편하며 안정적으로 사용할 수 있도록 만든 전자 부품이다. 이것의 내부는 상당히 많은 트랜지스터와 다이오드, 저항, 커패시터 등의 회로 소자로 구성되어 있는데, 여기서 2개의 아날로그 입력단자로 구성되는 입력부는 접지 전위(ground potential)와 무관하게 동작하는 차동증폭기(differential amplifier)의 구조를 가지며, 1개의 아날로그 출력단자로 구성되는 출력부는 접지 전위를 기준으로 하는 싱글 엔드 신호를 출력(single-ended output)한다. 연산증폭기의 전원은 일반적으로 크기는 같고 극성이 서로 반대인 양(+)전압과 음(-)전압을 사용한다. 〈그림 1.1.1〉에 일반 증폭기와 연산증폭기의 기본 구조를 비교하여 보였다.

직류증폭기는 직류 신호나 교류 신호를 모두 증폭할 수 있으며, 이에 비하여 교류증폭기는 교류 신호만을 증폭할 수 있다는 점에 유의해야 한다. 우리가 현실적으로 트랜지스터 등을 사용하여 필요한 직류증폭기를 설계하는 것은 생각보다 상당히 어려운 작업이다. 증폭률이나 입출력 임피던스와 같은 성능을 사용자가 원하는 대로 정확하게 나타내도록 설계하는 것도 물론 어렵고, 이 회로가 여러가지의 환경 조건에서 일정한 특성을 가지면서 안정적으로 동작하도록 설계하는 것은 더욱 어렵다. 그러나, 연산증폭기를 1개의 소자처럼 사용하면 사용자가 원하는 아날로그 회로를 매우 쉽게 설계할 수 있으며 그 회로는 주어진 조건에서 안정적으로 동작하는 것이 보장된다.

이와 같이 연산증폭기는 복잡한 내부 회로로 구성되어 있지만, 이것은 수많은 아날로그 회로를 설계하는데 필요한 빌딩 블록(building block)으로서 광범위하게 사용된다. 디지털 회로에서 AND 게이트나 OR 게이트가 하나의 디지털 기본 소자인 것처럼 취급되듯이 연산증폭기는 아날로그 회로에서 기본적으로 사용하는 하나의 아날로그 소자로 생각할 수 있다. 사용자가 연산증폭기에 저항, 커패시터, 인덕터, 다이오드 등을 결합하면 수많은 종류의 아날로그 회로를 쉽게 설계할 수 있으므로 오늘날 연산증폭기를 사용하지 않고 아날로그 회로를 설계하는 것은 상상하기 어렵다. 이것은 현재의 디지털 시대가 도래하기 훨씬 전의 아날로그 시대에 덧셈, 뺄셈, 곱셈, 나눗셈, 미분, 적분 등과 같은 여러가지의 아날로그 연산에 주로 사용되었으므로 이와 같은 이름을 갖게 되었지만, 현재는 이것이 증폭기 이외에도 매우 다양한 아날로그 회로에 널리 사용되고 있으므로 연산증폭기(operational amplifier)라기 보다는 그냥 범용 아날로그 증폭기(analog amplifier)라는 이름이 더 어울리며, 수많은 아날로그 반도체 소자(analog IC) 또는 선형 반도체 소자(linear IC)의 일종에 해당한다.

2. 연산증폭기의 탄생과 역사

(1) 연산증폭기의 탄생
세계 최초의 연산증폭기는 1941년에 벨연구소의 Karl D. Swartzel Jr.가 제안한 특허 "Summing Amplifier"로 탄생하였으며, 그로부터 몇년이 지난 1947년에 John R. Ragazzinni가 발표한 "Analysis of Problems in Dynamics by Electronic Circuits"라는 논문에서 처음으로 "operational amplifier"라는 용어가 사용되었다. 그러나, 최초의 상업용 연산증폭기 제품은 이로부터 다시 몇년이 지난 1953년에 George A. Philbrick 연구소에 의해서 만들어진 K2-W라는 모델인데, 그 당시에는 트랜지스터가 발명되기는 했으나 아직 널리 사용되기 전이었므로 이때까지의 모든 연산증폭기는 진공관을 사용하여 만들었다.

(2) 연산증폭기의 발전사
이후에는 반도체 트랜지스터를 사용하여 연산증폭기를 만들려는 노력이 지속적으로 이루어졌는데, 마침내 1963년에 Fairchild사에서 Bob Widlar가 개발한 최초의 IC화된 연산증폭기 μA702를 출시하였다. 이것은 그 이전의 진공관 방식에 비하여 매우 획기적인 특성을 가지고 있었으나, +12V와 -6V라는 불평형 전원전압을 사용하였고 동작의 안정성이 상당히 떨어지는 문제가 있었다. 그러나, 이러한 단점은 1965년에 같은 회사에서 ±15V 전원을 사용하는 μA709를 출시하면서 대부분 해소되어 본격적인 연산증폭기의 시대가 열리게 되었는데, 이 때문에 오늘날까지 많은 사람들은 연산증폭기 IC의 효시가 μA709라고 말하고 있다.
1967년에 National Semiconductor사가 출시한 LM101은 과전류 보호 기능을 가지고 있어서 제품이 훨씬 안정화되었으며, 외부에 주파수 보상용 커패시터를 사용하도록 되어 있었다. 또한, 1968년에 Fairchild사에서 출시한 μA741은 LM101과 매우 유사한 성능을 갖지만 주파수 보상용 커패시터를 소자에 내장하여 사용이 좀 더 간편해졌다. 이들 2가지 모델은 연산증폭기의 성능이나 IC의 핀배열을 표준화시키는 역할을 하였으며, 이후 많은 반도체 회사에서 이와 호환되는 모델을 출시하여 오늘날까지 오랜 세월동안 사용되어 오고 있다.
이후에도 연산증폭기는 계속 진화하여 Raytheon사에서 1974년에 최초로 1개의 IC에 2개의 연산증폭기를 내장한 RC4558을 출시하였다. 비슷한 시기에 National Semiconductor에서 출시한 LM358은 1개의 IC 소자에 2개의 연산증폭기를 내장한 Dual 패키지형이며 LM324는 1개의 IC 소자에 무려 4개의 연산증폭기를 내장한 Quad 패키지형인데, 이것들은 -전원을 사용하지 않고 +전원만을 사용하여 동작할 수도 있는 단전원 사용 가능 방식의 경이로운 모델이기도 하였다. 또한, 1970년대 후반에는 입력단에 바이폴라 트랜지스터 대신에 JFET를 사용하여 입력 임피던스를 크게 높이고 동작 속도는 더 빨라진 모델들이 많이 출시되었는데, National Semiconductor사의 LF353이나 Texas Instruments사의 TL081/2/4 등이 그것이다. 그 이후 1980년대에 이르기까지 MOSFET를 사용하여 더욱 특성이 좋아진 모델들도 많이 출시되었는데, 예를 들면 RCA사의 CA3130이 그러한 모델에 해당한다.

이와 같이 1960년대부터 1980년대에 이르기까지 반도체 IC 소자로 만들어진 연산증폭기 모델들은 눈부신 발전을 이루어 왔는데, 이러한 아날로그 반도체 시대를 주도적으로 이끌거나 시대의 흐름에 동참하여 온 주요 아날로그 반도체 회사들을 살펴보면 Fairchild, National Semiconductor, Texas Instruments, Burr-Brown, Analog Devices, RCA, Harris, PMI, Linear Tecnology, Maxim Integrated사 등이 있다.

3. 연산증폭기의 종류

(1) 연산증폭기의 분류
우리의 시각을 좀 넓혀서 살펴보면 연산증폭기는 연산에 사용되는 반도체 소자라기 보다는 아날로그 IC(analog IC) 또는 선형 IC(linear IC)의 일종에 해당하는 반도체 소자로 볼 수 있다. 1963년에서 1965년 사이에 처음으로 연산증폭기 반도체 IC가 탄생한 이후 현재까지 수많은 모델들이 출시되어 다양한 구조와 특성을 가지고 가격 및 성능 경쟁에 참여함에 따라 이것들을 전체적으로 파악하고 이해하기 위해서는 이것들을 유형별로 묶어서 분류하는 것이 좋다. 여기서는 먼저 아날로그 IC를 분류하여 연산증폭기가 어떤 위치에 있는지를 살펴보고, 다음에 이어서 연산증폭기 IC를 여러가지의 측면에서 분류하여 보기로 한다.

제1장 연산증폭기 입문

1.1 연산증폭기의 개요 11
1. 연산증폭기란 무엇인가? 11
2. 연산증폭기의 탄생과 역사 12
3. 연산증폭기의 종류 13
4. 연산증폭기의 구조 및 동작 특성 24
5. 연산증폭기 관련 용어 정리 36
[휴게실] 반도체 소자의 단종 43

1.2 아날로그 회로 및 관련 소자 44
1. 아날로그 회로의 특성 44
2. 연산증폭기의 응용 기술을 공부하는 방법 50
3. 저항 소자 52
4. 커패시터 65
[휴게실] "콘덴서"가 아니라 "커패시터"이다 66
5. 인덕터 77

1.3 아날로그 회로 해석에 필요한 이론 81
1. 오옴의 법칙 81
2. 키르히호프의 법칙 87
3. 중첩의 원리 89
4. 테브난의 정리와 노턴의 정리 90
5. 오픈 컬렉터 회로와 오픈 드레인 회로 94
[휴게실] 공과대학 신입생에게 들려주는 대학생활 10계명 98

제2장 아날로그 비교기 회로

2.1 아날로그 비교기 기본 회로 101
1. 영전압 검출기 101
2. 전압 레벨 검출기 111
3. 윈도우 비교기 114

2.2 히스테리시스 특성을 갖는 비교기 회로 117
1. 영전압 검출기 117
2. 전압 레벨 검출기 124

2.3 아날로그 비교기 IC 132
1. 연산증폭기와 아날로그 비교기 IC 132
2. 영전압 비교기 136
3. 전압 레벨 검출기 138
4. 윈도우 비교기 139
5. 비교기를 이용한 LED 바 표시장치 140

제3장 증폭기 회로

3.1 증폭기 기본 회로 145
1. 증폭기란 무엇인가 145
2. 반전 증폭기 147
3. 비반전 증폭기 153
4. 전압 폴로워 163
5. 전류 보상 저항의 사용 165

3.2 연산 기능을 갖는 증폭기 회로 170
1. 반전 가산기 170
2. 비반전 가산기 176
3. 감산기 및 감산 증폭기 178
4. 계측용 증폭기 186

3.3 기타 증폭기 회로 195
1. 여러가지 증폭기 회로 195
2. 교류 커플링 증폭기 회로 205
3. 위상 시프트 회로 212
4. 전압제어에 의한 전류 발생 회로 215
[휴게실] 연산증폭기를 선정할 때의 주의 사항 226

제4장 여러가지 아날로그 회로

4.1 연산 회로 229
1. 미분기 회로 229
2. 적분기 회로 231
3. 곱셈기 응용 회로 232

4.2 다이오드를 포함하는 비선형 회로 239
1. 정밀 반파정류 회로 239
2. 정밀 전파정류 회로 247
3. 교류 전압의 MAV 출력 회로 257

4.3 발진기 회로 261
1. 여러가지 발진기 회로 261
2. LM555 타이머 IC 281
[휴게실] 초보는 그 용기와 의욕이 아름답다 290

제5장 능동필터 회로

5.1 저역통과 필터 293
1. 능동필터란 무엇인가 293
2. 기본적인 1차 저역통과 필터 298
3. 버터워스 저역통과 필터 301

5.2 고역통과 필터 306
1. 기본적인 1차 고역통과 필터 306
2. 버터워스 고역통과 필터 309

5.3 대역통과 필터 및 대역저지 필터 314
1. 대역통과 필터 314
2. 대역저지 필터 319
[휴게실] 이론과 실제는 다르다(?) 324

제6장 아날로그 인터페이스 회로

6.1 A/D 컨버터 327
1. A/D 컨버터의 개요 327
2. A/D 컨버터의 종류별 동작 특성 333

6.2 D/A 컨버터 350
1. D/A 컨버터의 개요 350
2. D/A 컨버터의 종류별 동작 특성 353
6.3 그밖의 아날로그 인터페이스 회로 367
1. 4∼20mA 전류 루프 통신 367
2. 포토 커플러를 사용한 절연 처리 374

6.4 아날로그 회로에서의 노이즈 방지 기술 379
1. 노이즈란 무엇인가? 379
2. 노이즈의 종류 381
3. 시스템 설계에서의 노이즈 방지 대책 384
4. PCB 설계에서의 노이즈 방지 대책 396
5. 교류전원과 대지 접지에 관한 이해 400
[휴게실] 작품을 만들지 말고 상품을 만들어라 410

제7장 정전압 직류 전원 회로

7.1 정전압 직류 전원의 개요 413
1. 정전압 직류 전원이란 무엇인가? 413
2. 리니어 전원과 스위칭 전원의 비교 416

7.2 리니어 전원 회로 424
1. 정류회로와 평활회로 424
2. 정전압 리니어 레귤레이터 433
3. 리니어 레귤레이터 IC의 종류 및 활용 440

7.3 스위칭 전원 회로 453
1. 절연형 SMPS 453
2. 비절연형 DC-DC 컨버터 461
3. 스위칭 레귤레이터 IC의 종류 및 활용 466
4. 차지 펌프 방식의 전압 컨버터 478

7.4 전원 스위치 및 역전압 보호 회로 484
1. 전원 스위치 회로 484
2. 전원 역전압 보호 회로 489
[휴게실] 지금은 인공지능(AI)의 시대 497

부록 연산증폭기 IC의 데이터 시트 499
A.1 연산증폭기 LM358/LM2904 500
A.2 연산증폭기 TLV9101/9102/9104 507

윤덕용 (1) 학력
1981. 2. 서울대학교 전기공학과 졸업
1983. 2. 서울대학교 대학원 전기공학과 졸업(공학석사)
1995. 2. 단국대학교 대학원 전기공학과 졸업(공학박사)

(2) 주요 경력
1982.12.～1984. 5. 삼성전자(주) 종합연구소 근무
1984. 6.～1985. 2. (주)한독 컴퓨터기술연구소 근무
1985. 3.～2006. 2. 국립 천안공업대학 전자계산기과/제어계측과 교수
2005. 3.～2023. 8. 국립 공주대학교 천안공과대학 전기전자제어공학부 교수 (현재는 동대학 명예교수)

(3) 저서
마이크로프로세서 응용실습 (1988, 자유아카데미)
16비트 마이크로프로세서 및 IBM PC 하드웨어 입문 (1991, 조원사)
마이크로프로세서 응용 -Z80 MASTER- (1998, Ohm사)
DSP 마스터 시리즈 ① - TMS320C31 마스터 (1998, Ohm사)
DSP 마스터 시리즈 ② - TMS320C32 마스터 (1999, Ohm사)
어셈블리와 C언어로 익히는 80C196KC 마스터(I) (2000, Ohm사)
어셈블리와 C언어로 익히는 80C196KC 마스터(II) (2000, Ohm사)
어셈블리와 C언어로 익히는 8051 마스터 (2001, Ohm사)
어셈블리와 C언어로 익히는 AT89S52 마스터 (2006, Ohm사)
프로세서 응용 시리즈 ① - LCD 모듈의 철저 활용 (2002, Ohm사)
프로세서 응용 시리즈 ② - LCD 모듈 활용 마스터 (2004, Ohm사)
프로세서 응용 시리즈 ③ - ATmega128을 활용한 졸업작품 만들기(I) (2005, Ohm사)
프로세서 응용 시리즈 ④ - 졸업작품 만들기(VII) TFT-LCD 모듈 활용 마스터 (2009, Ohm사)
AVR 마스터 시리즈 ① - AVR ATmega128 마스터 (2004, Ohm사)
AVR 마스터 시리즈 ② - AVR ATmega162 마스터 (2004, Ohm사)
AVR 마스터 시리즈 ③ - AVR ATmega8515 마스터 (2004, Ohm사)
고성능 AVR 정복 시리즈 ① - AVR ATmega128 정복 (2006, Ohm사)
고성능 AVR 정복 시리즈 ② - AVR ATmega1281/2561 정복 (2006, Ohm사)
고성능 AVR 정복 시리즈 ③ - AVR ATmega1280/2560 정복 (2006, Ohm사)
고성능 AVR 정복 시리즈 ④ - AVR ATxmega 패밀리 정복 (2010, Ohm사)
고성능 AVR 정복 시리즈 ⑤ - AVR ATmega128A 바이블 (2011, Ohm사)
고성능 AVR 정복 시리즈 ⑥ - AVR ATmega128A 바이블2 (2020, Ohm사)
고성능 AVR 정복 시리즈 ⑦ - 8비트 MCU AVR128DA64 정복 (2022, Ohm사)
ARM 시작하기 시리즈 ① - ARM7TDMI AT91SAM7S256으로 시작하기 (2007, Ohm사)
ARM 시작하기 시리즈 ② - ARM Cortex-M0 STM32F051 마스터 (2013, Ohm사)
NXP사의 ARM Cortex-M0+ MKL25Z128VLK4 활용 (2016, Ohm사)
ARM Cortex-M 시리즈 ① - ARM Cortex-M0 STM32F091 정복 (2016, Ohm사)
ARM Cortex-M 시리즈 ② - ARM Cortex-M7 STM32F767 정복 (2017, Ohm사)
ARM Cortex-M 시리즈 ③ - ARM Cortex-M3 STM32F103 정복 (2018, Ohm사)
실용 모터제어 시리즈 ① - 직류전동기 제어 기술 (2015, Ohm사)
실용 모터제어 시리즈 ② - BLDC 모터 제어 기술 (2015, Ohm사)
실용 모터제어 시리즈 ③ - 유도전동기 벡터제어 기술 (2019, Ohm사)
연산증폭기(Op Amp)를 사용한 아날로그 회로 설계 기술(2025, Ohm사)