OP 앰프 기초: 가상 단락으로 계산하기

두 가지 규칙

피드백이 걸린 이상적인 OP 앰프는

1. 입력 단자로 전류가 흐르지 않는다
2. 두 입력 단자의 전압이 같아진다 (가상 단락)

비반전 증폭기

입력을 +단자에, 출력에서 -단자로 R2, -단자에서 그라운드로 R1을 연결하면

Vout = Vin × (1 + R2/R1)

R1 = 1kΩ, R2 = 9kΩ → 이득 10배. 입력 임피던스가 매우 커서 센서를 부담 없이 받습니다. R2를 0으로 하면 이득 1의 전압 팔로워(버퍼)가 됩니다.

반전 증폭기

Vout = -Vin × (R2/R1). 부호가 뒤집히고 입력 임피던스는 R1입니다.

실제 OP 앰프의 한계

사양	의미	영향
입력/출력 레일투레일	전원 끝까지 쓸 수 있나	단전원 3.3V 회로에서 중요
오프셋 전압	입력이 0일 때의 오차	작은 신호 증폭 시 오차가 이득배
GBW	이득 × 대역폭	이득 100이면 대역은 GBW/100
슬루율	출력이 변할 수 있는 최대 속도	빠른 PWM 전류 파형 추종

두 가지 규칙만 기억하기

음의 피드백이 걸린 OP 앰프 회로는 두 가지 규칙으로 계산됩니다.

1. 입력으로 전류가 흐르지 않는다.
2. 두 입력의 전압이 같아지도록 출력이 움직인다. (가상 단락)

세 가지 기본 회로

회로	이득	입력 저항	쓰임
버퍼 (전압 팔로워)	1	매우 큼	분배 저항 뒤, ADC 앞
비반전 증폭	1 + Rf / Rg	매우 큼	센서 신호 키우기
반전 증폭	−Rf / Rin	Rin	신호 합치기, 부호 뒤집기

비반전 증폭기에서 Rf = 90 kΩ, Rg = 10 kΩ이면 이득은 10입니다. 0.1 V 신호가 1.0 V가 됩니다.

예제: 션트 저항 전류 측정

10 mΩ 션트에 5 A가 흐르면 50 mV가 생깁니다. 3.3 V ADC로 재려면 약 50배 증폭이 알맞습니다.

이득 50  →  5 A일 때 2.5 V
ADC 1 LSB(0.8 mV)  →  0.8 mV / 50 / 0.01 Ω = 1.6 mA 분해능

양방향 전류를 재야 하면 출력의 가운데를 1.65 V로 올려 놓고, 그보다 높으면 정방향, 낮으면 역방향으로 읽습니다.

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단전원에서 꼭 확인할 것

MCU 회로는 대부분 3.3 V 한 가지 전원만 씁니다. 이때 두 가지를 봅니다.

• 입력 범위: 입력 전압이 0 V 근처까지 내려가도 동작하는가. 션트를 그라운드 쪽에 달면 입력이 거의 0 V입니다.
• 출력 범위: 출력이 0 V와 전원 전압 근처까지 나오는가. 일반 OP 앰프는 양쪽에서 1 V 넘게 못 미칩니다.

두 조건을 모두 만족하는 것이 레일 투 레일 입출력 OP 앰프입니다. 그래도 출력은 0 V에 수십 mV까지만 내려가므로, 0 A 근처의 값은 정확하지 않을 수 있습니다.

데이터시트에서 볼 값

항목	뜻	영향
입력 오프셋 전압	입력이 같아도 생기는 오차	이득만큼 곱해져 출력에 나타남
이득 대역폭 곱 (GBW)	이득 × 쓸 수 있는 주파수	GBW 1 MHz에 이득 50이면 약 20 kHz까지
슬루율	출력이 변할 수 있는 최대 속도	빠른 계단 신호가 비스듬해짐
입력 바이어스 전류	입력으로 새는 전류	큰 저항과 만나면 오차

오프셋 1 mV인 OP 앰프로 50배 증폭하면 출력에 50 mV가 얹힙니다. 전류로 환산하면 100 mA에 해당하므로, 전류 측정에는 오프셋이 작은 제품을 고르거나 시작할 때 0 A에서의 값을 재서 빼 줍니다.

비교기로 쓰면 안 되는 이유

피드백 없이 두 전압을 비교하는 데 OP 앰프를 쓰면 출력이 포화에서 빠져나오는 데 시간이 걸리고, 입력이 비슷할 때 출력이 떨립니다. 과전류 보호처럼 빠른 판단이 필요한 곳에는 전용 비교기를 쓰고, 히스테리시스를 줘서 경계에서 떨리지 않게 합니다.

현업에서 자주 터지는 문제

• 전원 핀 옆에 디커플링 커패시터가 없어 발진
• 출력에 큰 커패시터를 직접 달아 발진(작은 저항을 직렬로 넣어 분리)
• 증폭한 신호가 전원 전압에 닿아 잘림(이득과 입력 범위 재계산)
• 쓰지 않는 OP 앰프 입력을 띄워 둠(버퍼로 묶어 중간 전압에 연결)