글쓴이 : SOONDORI
다음은 어떤 상용 회로의 일부.
모범적인 양 전원 방식(Split Power Supply)에, <RC Feedback>으로 적은 구성에 의해 전체가 Low Pass Filter로 동작하며… 특이하게 제너다이오드를 써서 두 입력 핀 전압을 +2.5V인 조건으로 묶어 놓았다. 더불어, Vss와 GND의 전위도 2.5V.
* 관련 글 : Philips HEF4047BT TTL IC를 사용한 하이브리드형 전원 회로
이유는?
1) Vss와 GND의 전위, 두 입력 핀과 GND의 전위가 제너다이오드에 의해 통제되는 2.5V에 묶임으로써 회로는 가상의, 유사 단전원 방식으로 동작하고,
2) 인버터, 논-인버터 핀의 조건이 완벽히 같다면, <공통모드 입력*>의 작용에 의해 노이즈가 제거될 수도 있으며,
3) 입력 핀 두 개를 2.5V 이상으로 유지함으로써, <공통모드 입력>의 전압 범위 준수라는 OP.AMP 고유 제약에 대비할 수 있다.
* 두 개 입력 핀에 공히 같은 수치의 전압이 인가된 경우를 상정하는 개념적 용어. 뒤따르는 것은 IC 내부의 차동(Differential) 개념. 전압이 완벽하게 같고 차동 회로가 완젹하게 이상적이라면 처리 결과값은 0V이다. Common Mode Choke의 작용 참고.
그러한 상상하에 LM2904 스펙을 살펴보면,
○ Input Offset Voltage : 이것은 제조 과정에서 비롯된 하드웨어적 속성 오차 같은 것이다. 입력(+) Non-Inverting Input)과 입력(-) Inverting Input의 차동모드 편차가, 여하한 조건에서 최대 10mV.
○ Common Mode Input Voltage(Range) : <공통모드 입력> 전압 범위(CMVR, Common-Mode Voltage Range)는 Vss에서 Vcc-2V까지 → Vcc에 근접한 전위 이상은, 신호 건전성을 담보하는 조건으로는 취급할 수 없음.
○ Common Mode Output Voltage(Range) : <공통모드 입력>에 의한 출력 전압 범위는 Vss에서 Vcc-1.5V까지 → Vcc에 근접한 전위의 출력은 불가능. 앰프의 헤드-룸 초과 현상처럼 파형이 찌그러짐.
이렇듯 입력과 출력에 대해서 1V, 1.5V, 2V, 2.5V 또는 기타의 특수한 고급 제품에서 mV 단위의 다양한 제한 전압이 거론되는 이유는,
1) 트랜지스터의 V_be처럼 IC 내부 반도체 절편이나 회로가 동작하는 데 필요한 최소 전압이 있기 때문이고,
2) 출력부 구성 방식이 다르다거나… CMOS 또는 Bipolar 차이와 같은 다양한 변수가 반영된 까닭이다. 이런 모든 게 이상적인 OP.AMP와는 다른, 현실 세상의 한계.
(▲ 첫 번째 = 양 전원, 두 번째 = 단 전원, 세 번째 = 레일-투-레일(Rail-to-Rail) 사례. 이것은 OP.AMP가 ‘레일(Rail)’로 표현한 <공급 전원라인>에 최대한 근접하게 신호를 취급한다는 뜻이고… 제한 전압이 위에 적은 것과는 다른, 매우 낮은 동작 전압을 추구하는 요즘의 기술적 트렌드에 부합한다. 여러 제조사가 그런 특수 제품을 소개하고 있고… 그런데, 무조건 맛나고 좋은 떡은 없다. 그림 출처 : TI-연산 증폭기 설계)
한편으로 상상해 보기를… 빈티지 오디오의 OP.AMP를, 이것저것 묻지 마 교체하면, a) 소리가 좋아지거나, b) 소리가 나빠지거나, c) 이상한 동작을 하게 된다.
다 좋은데… 여기서, “소리가 좋아졌다”를 OP.AMP가 가장 이상적인 상태로 동작하는 중이라는 것과 다름에 유의한다. 사람이 듣고 평가하는 것과 회로 또는 소자에 요구되는 기술적 조건은 완전히 별개의 사안이니까. 예를 들어, 고정밀 신호를 다루는 회로에서는 난리가 날 수준의 고조파에 의해 소리가 좋게 들릴 수도 있고, 계측기 세상에서는 환장할 수준의 반응성이 좋은 소리를 만들어 내는 것인지도 모르고… 세상사가 다 복불복.
* 참고 문서 : Toshiba-Basics of Operational Amplifiers and Comparators
○ 다음은 TI가 ‘Industry-Standard Dual Operational Amplifiers’로 표현한 LM2904의 내부. 이제는 너무 흔한 CMOS 방식의 제품.
○ 그에 비교되는… ‘Precision High-Speed Difet® Operational Amplifiers’ 수식어를 달고 있는, 빈티지 전설과 같은 OPA627의 내부.
PNP/NPN 트랜지스터와 같은 Bipolar 방식에, (빈티지 OP.AMP에서 흔한) 푸쉬-풀 출력 구조를 취하고 Input Offset Voltave는 uV 단위까지 제시하고 있음. Common Mode Input Range는 아예 -11V~+11V로 고정해버렸다. 반도체 트리밍 작업의 언급을 더하면… 역시 고급 계측기나 고급 앰프에 걸맞은 고품격?
