기술자료

연산 증폭기 설계 ⑤ - 연산 증폭기의 동적 동작


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글/브루스 트럼프(Bruce Trump), 텍사스 인스트루먼트


5-1. 이득 대역폭 시뮬레이션: 범용 연산 증폭기 모델

연산 증폭기의 이득-대역폭 곱(GBW)이 본인의 회로로 어떻게 영향을 미칠지 분명하지 않을 수 있다. 매크로모델은 GBW가 고정적이다.
SPICE 안에 들어 있는 범용 연산 증폭기 모델을 사용해서 GBW에 따른 민감성을 본인의 회로로 확인할 수 있다. 대부분 SPICE 기반 회로 시뮬레이터는 간단한 연산 증폭기 모델을 포함하기에 이것을 손쉽게 수정해서 사용할 수 있다. 그림 47은 TINA-TI 소프트웨어에서의 그러한 모델을 보여준다.
먼저, 직류(DC) 개방 루프 이득을 1M(120dB)로 설정한다. 그러면 우세 극점 주파수(헤르츠 단위)가 증폭기 GBW(메가헤르츠 단위)를 생성한다. 이 예에서는 10Hz의 우세 극점이 10MHz의 GBW를 생성한다. 그림 48은 5MHz, 10MHz, 100MHz의 3가지 GBW로 개방 루프 응답을 보여준다.
이 간단한 모델로 이차 극점(‘nuisance’ 극점이라고도 함)도 포함한다는 것을 알 수 있다. 경우에 따라서는 이 이차 극점을 10GHz 같이 아주 높은 주파수로 정할 수 있다. 이렇게 하면 적당한 정도의 GBW로 이상적인 90도 위상 마진을 생성할 수 있다. 이 예에서는 이차 극점을, 시뮬레이트하려고 하는 가장 높은 GBW와 동일하게 100MHz로 설정하고 있다. 이 이차 극점은 100MHz GBW 응답으로 어떻게 영향을 미치는지 알 수 있다. 개방 루프 응답이 100MHz에서 아래로 휘어지는 것을 볼 수 있다. 단위 이득 대역폭은 약 78MHz로 안쪽으로 당겨지는데, 이것은 이 GBW로 실제 연산 증폭기로 예상할 수 있는 것과 같은 것이다. 실제 연산 증폭기의 단위 이득 대역폭과 GBW는 반드시 일치하지는 않는다.
능동 필터 설계는 GBW 요구사항을 판단하기가 어려울 수 있기에, 이 기법을 사용하여 좋은 예시를 만들 수 있다. 그림 49에서는 WEBENCHⓇ Filter Designer를 사용하여 체비셰프(Chebyshev) 필터설계 시 권장 GBW를 제안하고 있는데, 이 가이드라인은 어떤 경우에는 필요이상 엄격할 수 있다. 이러한 경우에는 100MHz 혹은 그 이상의 GBW를 사용함으로써 거의 이상적인 필터 특성을 달성할 수 있다. 그림 48의 설계는 3가지 GBW인 5MHz, 10MHz, 100MHz를 사용해서 시뮬레이트했다. 100MHz 미만의 GBW라는 만족스런 결과를 얻었다. 최종적인 시뮬레이션을 위해서는 선택한 연산 증폭기의 매크로모델을 사용해야 한다.
또한 TINA-TI 소프트웨어에서 파라미터 스텝핑 기능을 사용해서 우세 극점과 GBW를 변화시켜 보았다. 다른 시뮬레이터들에도 비슷한 기능이 있을 것이다. 물론 파라미터들을 수작업적으로도 변경해 가면서 살펴볼 수 있다. 어떻게든 범용 연산 증폭기 모델의 GBW를 변화시켜 봄으로써 자신의 회로로 어떻게 영향을 미치는지에 대한 통찰을 얻을 수 있다.

5-2. 슬루율: 연산 증폭기의 속도 제한

연산 증폭기의 슬루잉(slewing) 동작은 흔히 잘못 이해되고 있다. 그렇기에 자세하게 더 알아보도록 하자.
연산 증폭기 입력 회로는 입력들 사이의 전압이 매우 작다. 이상적으로는 이 전압이 0이여야 할 것이다. 하지만 입력 신호가 갑자기 바뀌면서 순간적으로 피드백 루프의 평형을 깨트림으로써 연산 증폭기 입력들 간에 차이 오차 전압이 생긴다. 그러면 출력은 이 오차를 교정하기 위해서 내달리게 된다. 이 오차가 클수록 내달리는 것이 빨라진다. 그러다 마침내 차동 입력 전압이 충분히 커져서 연산 증폭기가 슬루잉 동작을 하게 만든다.
입력 스텝이 충분히 크면 자동차의 가속 페달을 끝까지 밟는 격이 된다. 그렇기에 더 높은 입력이라 하더라도 출력을 더 빠르게 움직이게 할 수는 없다.(그림 50은 간단한 연산 증폭기 회로로 왜 그러는지 보여준다.) 폐쇄 루프 회로로 일정한 입력 전압이 주어지면 연산 증폭기 입력들 사이에 전압이 0이 된다. 그러면 입력 스테이지가 평형을 이루고, 전류 IS1이 2개 입력 트랜지스터 간에 균등하게 배분된다. 이 회로로 VIN으로 스텝 변화가 350mV 이상이면 IS1 전류의 전부가 입력 트랜지스터 쌍 중의 한쪽으로 향한다. 이 전류가 밀러 보상 커패시터 C1을 충전(또는 방전)한다. 출력 슬루율(SR)은 IS1이 C1을 충전하는 속도로서, IS1/C1이다...(중략)

기사입력 : 2018-01-05