연산 증폭기(OpAmp) 이해하면 회로 설계가 쉬워진다

OpAmp란 무엇인가?

OpAmp(Operational Amplifier, 연산 증폭기)는
아날로그 회로의 심장이라 할 수 있습니다.

하드웨어 회로 설계에서 센서 데이터를 증폭하거나, 필터를 구성하거나, 비교 연산을 수행할 때 가장 많이 사용되는 핵심 부품 중 하나입니다.

✅ 핵심 정의

OpAmp는 두 입력 단자의 전압 차이를 증폭하여 출력하는 장치입니다.
이 부품은 내부적으로 고이득 증폭기, 차동 증폭기, 출력 버퍼 등으로 구성되어 있습니다.

🛠 OpAmp의 기본 구조와 핀 설명

비반전 입력 (+) : 기준 전압보다 높아지면 출력이 상승합니다.
반전 입력 (-) : 기준 전압보다 높아지면 출력이 감소합니다.
출력 (OUT) : 두 입력의 전압 차이에 따라 결정되는 출력 전압입니다.
전원 공급 (Vcc, -Vcc) : ±15V 또는 ±5V로 전원을 공급합니다.

📈 OpAmp의 대표 회로 예시

1. 비반전 증폭기 (Non-inverting Amplifier)

📌 회로 구성

입력 전압을 OpAmp의 +단자에 연결하고, 출력에서 저항 네트워크를 통해 -단자로 피드백을 줍니다.

🔧 회로도 핵심 요소

Vin → + 입력

입력 ↔ R1, Rf → 출력으로 피드백

Vout → 최종 출력

📐 이득(Gain) 공식

$A_v = 1 + \frac{R_f}{R_1}$

🧠 특징

위상 반전 없음 (입력과 출력 위상 동일)

높은 입력 임피던스로 센서 입력에 적합

적은 전압 손실

✅ 응용

센서 증폭 회로 (온도, 압력)

버퍼 앰프 (다음 회로로 신호 전달 전 안정화)

2. 반전 증폭기 (Inverting Amplifier)

📌 회로 구성

입력을 - 단자에 연결하고, 피드백 저항을 통해 출력과 연결합니다. + 단자는 GND에 연결됩니다.

📐 이득(Gain) 공식

$A_v = - \frac{R_f}{R_{in}}$

🧠 특징

위상 반전됨 (출력은 입력의 반대 방향)

이득 제어가 간단함

다중 입력 가산기로 확장 가능

✅ 응용

아날로그 오디오 증폭기

센서 신호 반전

간단한 필터 회로

3. 단위 이득 버퍼 (Voltage Follower / Unity Gain Buffer)

📌 회로 구성

출력을 그대로 - 입력으로 연결하고, + 입력에 신호를 입력합니다.

📐 이득

$A_v = 1$

🧠 특징

신호는 증폭되지 않음

매우 높은 입력 임피던스, 낮은 출력 임피던스

신호 전압 손실 없이 다음 회로로 전달

✅ 응용

ADC 입력 전처리

고임피던스 센서 출력 안정화

신호 분리 (Isolator 역할)

4. 가산기 (Summing Amplifier)

📌 회로 구성

여러 입력 신호를 저항을 통해 - 입력에 연결하고, 출력은 피드백 저항과 연결됩니다. + 단자는 GND로 연결.

📐 출력 공식 (반전형 기준)

$V_{out} = - ( \frac{R_f}{R_1}V_1 + \frac{R_f}{R_2}V_2 + \dots )$

🧠 특징

다중 입력 신호를 하나로 합산

반전 또는 비반전 방식 모두 가능

✅ 응용

오디오 믹서

센서 신호 병합

아날로그 연산 회로

5. 차동 증폭기 (Differential Amplifier)

📌 회로 구성

두 입력(V1, V2)을 받아 그 차이만 증폭합니다.

📐 출력 공식

$V_{out} = \left( \frac{R_f}{R_1} \right) (V_2 - V_1)$

🧠 특징

공통 모드 신호 제거 (노이즈 제거)

두 입력 신호 간의 차이만 출력

✅ 응용

센서 노이즈 제거 (strain gauge, RTD)

데이터 수집 시스템에서 차동 입력

6. 비교기 (Comparator)

📌 회로 구성

OpAmp의 +, - 입력에 서로 다른 전압을 인가하고, 출력은 High 또는 Low로 스위칭됩니다.
피드백 없이 개방 루프(Open-loop)로 동작합니다.

🧠 특징

출력은 거의 항상 레일 투 레일(Rail-to-rail)

증폭이 아닌 ‘비교’ 역할

입력 차이가 0에 가까워도 강한 출력 변화

✅ 응용

임계 전압 감지 (예: 5V 이상이면 LED 켜짐)

오실레이터 회로

제어 시스템에서 경고 신호 발생

7. 적분기 (Integrator) (H3)

📌 회로 구성

입력과 -단자 사이에 저항, 피드백으로 커패시터를 사용합니다.

📐 출력 공식

$V_{out}(t) = -\frac{1}{RC} \int V_{in}(t) dt$

✅ 응용

신호 누적 감지

파형 생성기

아날로그 PID 제어

8. 미분기 (Differentiator) (H3)

📌 회로 구성

입력과 -단자 사이에 커패시터, 피드백으로 저항을 사용합니다.

📐 출력 공식

$V_{out}(t) = -RC \frac{dV_{in}(t)}{dt}$

✅ 응용

신호 변화 감지

짧은 펄스 생성

아날로그 필터 설계

🧪 OpAmp는 어디에 쓰일까?

OpAmp는 다음과 같은 분야에서 필수적으로 사용됩니다:

센서 신호 증폭: 온도, 가속도, 압력 센서 등의 신호를 ADC에 전달할 수 있도록 증폭
아날로그 필터: 고역통과, 저역통과, 대역통과 필터 회로
전압 비교기: 특정 전압 이상이 되었을 때 신호를 HIGH로 전환
오디오 회로: 볼륨 증폭기, 톤 조절 회로
전류 제어 회로: 정전류원, 피드백 회로 구성 시 필수

💡 신입 엔지니어를 위한 꿀팁

30년 경력자의 노하우, 실무에서 꼭 필요한 OpAmp 활용법!

스펙시트를 읽는 습관을 들이자
데이터시트를 보면 Slew Rate, Input Bias Current, Offset Voltage 등 실제 회로에서 중요한 항목들이 나와있다.
시뮬레이션부터 해보자
LTspice, Multisim 등으로 먼저 회로를 구성해보면, 실패 확률이 줄어든다.
단위 전압 vs. 차동 전압 개념을 분리해서 이해하자
OpAmp는 두 입력 간의 '차이'를 기반으로 동작한다는 점을 잊지 말자.

📚 OpAmp는 회로 설계의 기초이자 핵심

OpAmp는 단순한 부품 같지만, 다양한 회로 구성의 중심에 있습니다.
신입 엔지니어라면 이 하나만 제대로 이해해도 아날로그 회로 설계의 50%는 이해한 셈입니다.

🔎 자주 묻는 질문 (FAQ)

Q. OpAmp는 디지털 회로에도 사용되나요?
A. 주로 아날로그 회로에 사용되지만, ADC 입력 보정, 전압 기준 설정 등 디지털 회로의 전처리용으로도 사용됩니다.

Q. 가장 많이 쓰이는 OpAmp 모델은?
A. LM741, TL081, LM358 등이 입문자나 실무에서 자주 사용됩니다.

Q. OpAmp는 어떻게 테스트하나요?
A. 멀티미터로 출력 전압을 측정하거나, 오실로스코프로 입력/출력을 비교합니다.