현재의 시대를 특징적으로 지칭하는 표현 중의 하나는 디지털 시대라는 것이다. 이 때문에 공과 대학의 전기공학과, 제어계측공학과, 정보통신공학과 등의 IT 분야 학과에서는 모든 교육 과정을 디지털 분야에 초점을 맞추어 편성하고 있으며, 그것의 당연한 결과로 디지털 지식과 기술에 지나치게 편중되어 교육 된 인력이 매년 압도적인 비중으로 많이 배출되고 있다. 그러나, 우리가 현재 살고 있고 앞으로도 살아갈 이 세상은 모두 아날로그 구조로 이루어져 있으며, 따라서 디지털 기술을 사용하는 장비가 존재하기 위해서는 반드시 우리의 아날로그 세상과 디지털 장비를 연결하는 인터페이스 회로가 필요하게 된다. 그런 이유로 본 저자는 당연히 IT 분야의 학과에서 현재보다는 아날로그 회로 분야의 교육 비중이 좀 더 높아져야 한다고 강조하고 싶다. 아날로그 기술의 바탕이 전제 되지 않는 디지털 기술은 편협되고 허약하기 때문이다.
아날로그 설계는 대부분의 경우 연산증폭기(Op Amp ; Operational Amplifier)를 중심으로 저항, 카페시티, 인덕터 등의 소자를 결합하여 사용하며, 그밖에 여러가지의 선형 반도체(linear IC)들이 추가로 사용되기도 하고, 경우에 따라서는 여기에 바이플라 트랜지스터나 MOSFET, 다이오드 등의 개별 반도체 소자가 추가되어 사용되기도 한다. 이 때문에 아날로그 회로 설계는 곧 연산증폭기의 원리와 응용 기술을 공부하는 교과목이라고 간주해도 무방할 것이다. 이 책에서는 연산증폭기를 원리적으로 이해하고 이를 응용하여 여러가지의 아날로그 회로를 설계하는 기술을 체계적으로 공부할 수 있도록 설명한다. 이 내용들은 대부분 저자가 평생동안 제어계측공학과에서 강의하였던 내용과 각종 연구 개발 과제 및 산업체의 제품 개발에 적용하였던 실무적이고 실용적인 기술을 망라하여 정리한 것이다. 이 책은 대학 및 전문 대학의 IT 관련 학과에서 교재로 사용할 수도 있고, 산업체에서 연구 개발자로 일하고 있는 현직 엔지니어들의 기술 학습 도서로도 유용하게 사용될 수 있을 것이다.
연산증폭기란 무엇인가?
연산증폭기의 역사 및 분류
연산증폭기의 주요 모델에 대한 사양 비교
연산증폭기의 이상적 특성 및 실제 특성
아날로그 회로의 주요 특성
R. C. L 소자에 대한 상세한 이해
아날로그 회로의 해석에 필요한 이론 정리
연산증폭기를 사용한 비교기 회로의 설계 기술
연산증폭기를 사용한 증폭기 회로의 설계 기술
연산증폭기를 사용한 능동필터 회로의 설계 기술
연산증폭기를 사용한 기타 회로의 설계 기술
디지털/아날로그 인터페이스 회로의 설계 기술
정전압 직류 전원 회로의 설계 기술
1.1 연산증폭기의 개요
이 절에서는 연산증폭기가 무엇이며, 언제 어떻게 탄생하여 오늘에 이르게 되었는지, 그리고 어떤 종류와 제품들이 있는지 등 연산증폭기의 전반에 대한 개요를 알아보기로 한다.
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.
