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글: 토마스 브랜드(Thomas Brand) FAE / 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)

엔지니어들이 흔히 직면하는 과제 중 하나가 다양한 요구를 동시에 충족하는 애플리케이션을 설계해야 한다는 것이다. 다양한 요구를 동시에 충족한다는 것은 쉽지 않은 일이다. 예를 들면 높은 출력 전력을 제공하면서 DC 정확도, 잡음, 왜곡 측면에서도 우수한 고속, 고전압 연산 증폭기 같은 것이 그렇다. 이 모든 특성을 갖춘 연산 증폭기는 매우 드물다. 이럴 때, 서로 다른 2개의 증폭기를 사용해서 그러한 특성들을 모두 갖춘 복합 증폭기(composite amplifier)를 구현할 수는 있다. 2개의 연산 증폭기를 결합하면 각 증폭기의 장점들을 모두 포괄할 수 있는 것이다. 이러한 방법을 통해, 동일한 이득으로 단일 증폭기에 비해서 더 높은 대역폭을 달성할 수 있다.

복합 증폭기

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복합 증폭기는 2개의 개별 증폭기들로 구성되며, 대개 이들 증폭기는 특성이 서로 다른 것을 사용한다. 그림 1은 이러한 구성을 보여준다. 증폭기 1은 저잡음 정밀 증폭기로서 ADA4091-2를 사용하고, 증폭기 2로 사용된 AD8397은 추가적인 모듈을 구동할 수 있는 높은 출력 전력이 특징이다.

그림 1: 2개의 연산 증폭기를 직렬로 연결해서 복합 증폭기를 구성한 회로도

그림 1의 복합 증폭기 구성은 2개의 저항 R1과 R2가 외부에서 동작한다는 점에서 비반전 증폭기(noninverting amplifier)와 비슷하다. 직렬로 연결된 이 2개의 연산 증폭기는 단일 증폭기로 간주할 수 있다. 총 이득(G)은 저항 비율 G = 1 + R1/R2로서 설정할 수 있다. R3 대 R4의 비율(증폭기 2의 이득(G2))을 다르게 하면 증폭기 1의 이득(G1)이나 출력에도 영향을 미친다. 유효 총 이득은 R3과 R4에 의해서 달라지지 않는다. G2가 감소하면 G1이 증가한다.

대역폭 확장

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복합 증폭기의 또 다른 특징은, 각각의 개별 증폭기보다 더 높은 대역폭을 달성할 수 있다는 것이다. 예를 들어서 100MHz 이득-대역폭 곱(GBWP)과 이득 G = 1로 2개의 동일한 증폭기를 사용하면 개별 증폭기에 비해 약 27% 더 높은 -3dB 대역폭을 달성할 수 있다. 이득이 높아짐에 따라서 이 효과는 더 분명해지는데, 특정한 한계를 넘으면 불안정성이 나타날 수 있다. 2개의 이득 분포가 고르지 않을 때도 그럴 수 있다. 2개의 증폭기에서 이득 분포가 균일할 때 최대의 대역폭을 달성할 수 있다. 앞서 언급한 값(GBWP = 100MHz, G2 = 3.16, G = 10)을 적용하면, 이득이 10일 경우 단일 증폭기에 비해 약 300% 더 높은 -3dB 대역폭을 달성할 수 있다.

왜 그런지 이유는 비교적 간단하다. 균일하게 분포된 이득일 때 G2 역시 증폭기 1의 유효 이득과 같아진다. 하지만 서로 다른 개별 증폭기의 개방 루프 이득은 훨씬 높다. 이득을 예컨대 40dB에서 20dB로 낮추면 2개의 증폭기가 모두 개방 루프 곡선의 낮은 쪽 구간에서 동작한다(그림 2). 그러므로 동일한 이득으로 복합 증폭기가 단일 증폭기보다 더 높은 대역폭을 달성할 수 있는 것이다.

그림 2: 복합 증폭기를 통한 대역폭 확장

DC 정확도와 잡음

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통상적인 연산 증폭기 회로는 출력의 일부가 반전 입력으로 피드백된다. 이 방법으로 피드백(궤환) 경로를 통해서 출력 오차를 교정함으로써 정확도를 높일 수 있다. 그림 1의 구성 역시 증폭기 2로 별도의 피드백 경로를 제공하며, 이것은 증폭기 1의 피드백 경로에 포함된다. 이 전체적인 구성은 증폭기 2로 인해서 출력에 더 높은 오차를 포함하는데, 이것을 증폭기 1로 피드백해서 교정한다. 그럼으로써 증폭기 1의 정확도를 유지한다. 출력 오프셋은 첫 번째 증폭기의 오차에만 비례하고, 두 번째 증폭기의 오프셋과는 무관하다.

잡음 성분도 마찬가지다. 잡음 역시 피드백을 통해서 교정되며, 이 때도 AC 신호가 2개 증폭기 스테이지의 확보된 대역폭에 따라서 좌우된다. 첫 번째 증폭기 스테이지의 대역폭이 충분한 한에서 두 번째 증폭기의 잡음 성분을 교정한다. 이 때는 첫 번째 증폭기의 출력 전압 잡음 밀도가 절대적으로 중요하다. 하지만 첫 번째 증폭기의 대역폭을 초과하면, 두 번째 증폭기의 잡음 성분이 지배적인 비중을 차지하기 시작한다. 첫 번째 증폭기의 대역폭이 두 번째 증폭기에 비해서 너무 높으면 추가적인 잡음 피크를 일으키고, 이것이 복합 증폭기 출력으로 나타날 수 있다.

맺음말

2개의 증폭기를 직렬로 연결함으로써 두 증폭기의 장점들을 결합하고 각각의 개별 연산 증폭기로는 얻을 수 없는 뛰어난 결과들을 달성할 수 있다. 예컨대 높은 정밀도로 높은 출력 전력으로 더 높은 대역폭을 달성할 수 있다. 그림 1은 레일-투-레일 증폭기로서 AD8397(-3dB 대역폭 = 69MHz)과 정밀 증폭기 ADA4091-2(-3dB 대역폭 = 1.2MHz)를 사용한 구성으로서, 이 두 증폭기를 결합하면 각각의 개별 제품을 통해 구현할 수 있는 것보다 두 배 이상 높은 대역폭을 달성할 수 있다(G = 10). AD8397에 다른 다양한 정밀 증폭기를 결합해서 잡음을 낮추고 THD를 향상시킬 수도 있다. 다만 설계 시에 시스템 안정성을 달성하도록 증폭기를 적절히 구성해야 한다. 이러한 요소들을 고려해서 설계했을 때 복합 증폭기는 매우 다양하고 까다로운 애플리케이션 요구를 충족할 수 있는 가능성을 제공한다.

저자 소개

토마스 브랜드(Thomas Brand)는 2015년에 석사 논문을 쓰면서 아나로그디바이스와 인연을 맺었다. 졸업 후, 아나로그디바이스에서 수습 기간을 마치고, 2017년에 필드 애플리케이션 엔지니어(FAE)가 되었다. 현재는 중부 유럽의 주요 산업용 고객들을 지원하는 업무를 맡고 있으며, 산업용 이더넷을 전문 분야로 하고 있다. 모스바흐 산학협력 대학에서 전기공학을 전공했으며, 콘스탄츠 응용과학 대학에서 국제 무역 석사학위를 취득했다. 문의: thomas.brand@analog.com