부품으로 만드는 연산 증폭기(Op Amp): 1. 커런트 소스(싱크)

부품으로 만드는 연산 증폭기(Op Amp)
1. 커런트 소스(싱크)

트랜지스터와 다이오드 그리고 저항과 컨덴서를 동원하여 연산 증폭기(Op Amp)를 만들어보자. 연산증폭기의 기본 원리를 공부하고자 한다. 이번 연재의 원문은 아래와 같다.

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[원문]
1. DIY Operational Amplifier
    https://www.electroschematics.com/diy-operational-amplifier/
2. Build an Op-Amp (1 of 7): Current Source
    https://youtu.be/Z8JDsvfZjL8?si=uNCE-sWSDXftwUxK
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[그림출처] https://www.electroschematics.com/wp-content/uploads/2013/12/DIY-Op-Amp-Schematic-1.jpg

원문의 내용을 그대로 따라 해보는 것을 넘어서 질문을 해보고 그 답을 찾아보도록 하자.

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질문1) 전원 구성은 +12v와 -12v 로 총 전위차는 24v 다.  연산증폭기의 전압에 양전압과 음전압을 쓰는 이유를 뭘까?

* 이 연재의 마지막에서 이야기 해보기로 한다.

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질문2) R1과 D1, D2 만의 회로가 있다고 하자. 이 회로에 흐르는 전류는 얼마가 될까?

다이오드는 순방향으로 전압을 가하더라도 어느정도 전압차가 되어야 작동한다. 이를 순방향 작동 전압 Vf 라고 한다. 대부분 실리콘 다이오드의 순방향 전압은 0.7v다. 실리콘 이라는 물질의 특성에 기인한 값이다. 게르마늄 다이오드는 0.2v 다.

[그림 출처] https://information-factory.tistory.com/40

위의 회로에서 D1과 D2는 1N4148이다. 데이터 쉬트에 따르면 순방향 전압은 0.62v 가량 된다고 한다.

전류가 통과하지 못하는 것은 저항이 크게 걸렸기 때문이다. 다이오드나 트랜지스터 같은 부품을 능동소자라 하는데 저항특성이 가해지는 전압에 따라 변한다는 뜻이다. 능동소자를 작동시키기 위해 가하는 전압을 바이어스(bias)라고 한다. 부품 제조시 정해지면 변하지 않는 일반 저항을 수동소자라 한다. 전자회로가 복잡해 보이지만 결국 저항과 전류와 전압으로 단순화 할 수 있다. 그래서 저항 네트워크를 그려놓고 전압과 전류를 계산하는 문제를 그렇게 열심히 풀었던 거다. 시간 상으로 전류와 전압이 요동치는 현상에도 다 이유가 있을 것이다. 그 이유를 수학으로 밝히는 행위가 신호와 시스템이다. '시스템"이라는 말속에 시간상 발생하는 사건의 변화(전자회로에서는 전류와 전압의 변동으로 표현)가 유기적으로 묶여 돌아간다는 의미를 가지고 있다.

다이오드에 순방향 전압을 가하면 Vf 만큼 전압이 떨어진다. 이를 "전압강하"라 한다. 회로에서 다이오드 2개를 통과 했으므로 전압 강하는 1.24v 가 될 것이다. 총 전압은 24v 이었으므로 두 다이오드에 의한 전압 강하를 빼면 R1의 양단에 걸리는 전압은 24-1.24=22.76v가 되겠다.

그렇다면 이 회로에 흐르는 전류는 얼마일까? 회로에서 전류를 측정하려면 도선을 끊고 전류 측정기를 연결해야 한다. 멀쩡한 회로를 끊어낼 수 없으니 보통 저항 양단의 전얍을 측정하여 옴의 법칙으로 전류를 계산한다. R1에 이어 D1, D2로 흐르는 전류는 옴의 법칙으로 계산된다. 일단 다이오드가 켜졌으므로 두 다이오드의 저항은 0이라고 하자. 옴의 법칙에 따라 전류는 22.76v/220k=103uA 다.

보는게 믿는 것이다. 측정해 보기로 한다. 중국산 3천원짜리 멀티 미터 이지만 제법 그럴듯하게 측정된다.

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질문3) 커런트 소스(Current Source)는 어떤 기능을 하는 회로일까?

일단 의문을 나중에 풀어보기로 하고 아래와 같은 회로를 따져보자. NPN 형 트랜지스터를 써서 커런트 소스 회로를 만들었다.

회로를 분석한다는 것은 소자들이 연결된 각 지점의 전류와 전압을 구하는 일이다. 수동소자를 쓰든 능동소자를 쓰든 회로를 구성하는 목적은 원하는 전압과 전류를 얻기 위함이다. 기묘한 조합의 저항 네트워크를 구성해 놓고 전류와 전압을 구하라는 숙제에 골머리를 앓는다. 키르히호프(커초프) 법칙이니, 데브난 법칙이니 하는 것들이 등장 했었다. 문제풀이에 급급하여 이런 얼키설킨 저항회로를 만든 목적을 망각하지 않길 바란다.

NPN 트랜지스터가 더해진 회로를 보자. 두 다이오드 사이에 걸려있는 전압이 트랜지스터를 켤 수 있는 문턱전압보다 높은 약 1.01v 이었다. 트랜지스터의 컬렉터 단자가 개방되어 있지만 이와 상관 없이 베이스와 에미터가 다이오드 처럼 작동한다. 트랜지스터의 베이스와 에미터 사이의 전압강하를 측정하면 0.6v 가량이다.

D1과 D2에 걸려 있던 전압이 1.01v 였으나 트랜지스터가 작동 되면서 전류가 흐르는 통로가 하나 더 생겼으므로 전압이 떨어졌다. 측정해 보니 0.871v가 나왔다. 트랜지스터의 베이스와 에미터 간 다이오드 동작으로 강하된 전압 vBE=0.599를 빼면 R3에 걸릴 전압은 0.272v (=0.871-0.599)가 될 것이다. 실제로 재보니 0.273v 로 측정됐다. 부품의 편차와 회로 구성 빵판의 접촉 저항등을 고려 하면 측정의 오차는 피할 수 없다. 3천원짜리 멀티미터도 쓸만 하다. R3에 흐르는 전류를 계산하면 85uA 다. R3에 3.3k 옴의 저항이 필요 했는데 부품통에 1k와 2.2k짜리 밖에 없어서 직렬 연결 했다.

위의 계산에서 R3로 흐르는 전류는 컬렉터가 개방된 경우다. 컬렉터에 부하저항을 넣어보자. 컬렉터로 흘러가는 전류 Ic가 124uA로 측정됐다. R3의 전압은 392mV 이므로 전류를 계산하면 0.177uA다. Ic에 트랜지스터의 베이스와 에미터 사이에 흐르는 전류가 더해져 Ic보다 크게 나온다. 컬렉터 개방시 85uA를 더하면 200uA(=120uA+85uA)정도 나와야 했지만 다소 낮다. 측정기의 오차를 감안하여 이해하도록 하자.

컬렉터에 부하로 가변저항을 붙여두었다. 부하 저항을 조절하여도 컬렉터에서 R3를 흐르는 전류값은 변하지 않는다. 이 부하에 상관 없이 항상 일정한 전류만을 끌어당기는 특성이 바로 커런트 소스(싱크)의 역활이다. 두 입력의 전압차를 감지하는 차동 증폭(Differential Amplifier)기의 중요 지원 회로다.

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외국의 전자공작 취미가의 이야기를 들어보자. 전자회로에 더하여 외국어(영어)공부도 겸하면 일석이조 아닌가! 중간 중간 실수를 하고 곧바로 바로잡는 장면이 나온다.

#411 Build an opamp (part 1 of 7) current source

다음편은 차동 증폭(Differential Amplifier)이다.

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[더보면 재미있는 영상자료]

Transistor Current Sources and Mirrors (커런트 소스와 미러)
https://www.youtube.com/watch?v=xR0RfmmRhDw

The differential amplifier, aka long-tailed pair, diff-pair (차동 증폭)
https://www.youtube.com/watch?v=mejPNuPAHBY

IV Curve Tracer(전류와 전압 곡선 시현)

뜬금없이 전류-전압 곡선 시현장치를 소개하는 이유는 트랜지스터의 가장 중요한 그래프가 바로 IV 곡선이기 때문이고, 아날로그 회로 측정과 고정 탐지 장치로 유용한데다 아주 간단하게 만들 수 있고, 무엇보다도 재미있다.

- 전력선 교류를 아주 교묘히 테스트 신호 생성기로 사용함.
- 전력선의 교류신호 전압에서 전류 검출을 위해 저항을 사용

The “Octopus” Curve Tracer
https://youtu.be/v624znnMpwI?si=NPdEsPpiq7UrBzzh

Let's Build an Octopus (IV Curve Tracer)
https://youtu.be/SORi-WNxjaI?si=EqTElRxmdf_48tIz

Curve Tracing Resources:

1. Octupus, Over-all component tester(모든 부품 시험기)
https://www.gbarc.ca/archive/nl1975may.pdf

2. Tektronix TR-210 Tracer Manual
https://w140.com/tekwiki/images/5/57/071-0114-01.pdf

3. Fundamentals of Signature Analysis(오실로스코프 X-Y 시현의 원리)
https://huntron.com/corporate/docs/ASA-paper-extract.pdf

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