OP앰프 증폭률 계산기
반전·비반전 증폭기의 전압 이득과 데시벨 값, 입력 전압에 따른 출력 전압을 구합니다.
입력과 출력 파형
공식
비반전 증폭기: Av = 1 + (Rf)/(Rg). 반전 증폭기: Av = −(Rf)/(Rin). 데시벨 이득은 20·log10|Av|입니다. 이상적인 OP앰프를 가정하므로, 실제 출력은 전원 전압보다 조금 낮은 지점에서 포화됩니다.
풀이 예제: 이득 11배 비반전 증폭기
- 비반전 증폭기, Rf = 100 kΩ, Rg = 10 kΩ: 이득 = 1 + (Rf)/(Rg) = 1 + (100 kΩ)/(10 kΩ) = 11배
- 데시벨로는 20·log10(11) = 20.83 dB
- 입력 200 mV이면 출력은 11 × 200 mV = 2.2 V. 전원 전압을 넘으면 파형이 잘립니다.
자주 쓰는 이득별 저항값 (E24)
| 목표 이득 | 비반전 Rf, Rg | 실제 이득 | 반전 Rf, Rin | 실제 이득 |
|---|---|---|---|---|
| 목표 이득2× (6.0 dB) | 비반전 Rf, Rg10 kΩ, 10 kΩ | 실제 이득2× | 반전 Rf, Rin20 kΩ, 10 kΩ | 실제 이득−2× |
| 목표 이득5× (14.0 dB) | 비반전 Rf, Rg30 kΩ, 7.5 kΩ | 실제 이득5× | 반전 Rf, Rin75 kΩ, 15 kΩ | 실제 이득−5× |
| 목표 이득10× (20.0 dB) | 비반전 Rf, Rg180 kΩ, 20 kΩ | 실제 이득10× | 반전 Rf, Rin100 kΩ, 10 kΩ | 실제 이득−10× |
| 목표 이득20× (26.0 dB) | 비반전 Rf, Rg82 kΩ, 4.3 kΩ | 실제 이득20.07× | 반전 Rf, Rin200 kΩ, 10 kΩ | 실제 이득−20× |
| 목표 이득50× (34.0 dB) | 비반전 Rf, Rg330 kΩ, 6.8 kΩ | 실제 이득49.53× | 반전 Rf, Rin750 kΩ, 15 kΩ | 실제 이득−50× |
| 목표 이득100× (40.0 dB) | 비반전 Rf, Rg1 MΩ, 10 kΩ | 실제 이득101× | 반전 Rf, Rin1 MΩ, 10 kΩ | 실제 이득−100× |
두 저항 모두 E24 표준값 중에서 목표 이득에 가장 가까운 조합을 골랐습니다(Rg·Rin은 1~100 kΩ, 같으면 10 kΩ에 가까운 쪽). 비반전 이득은 1 + (Rf)/(Rg), 반전 이득은 −(Rf)/(Rin)입니다.
실전에서 쓰는 법
순서대로 쓰기
- 반전 또는 비반전을 고르고 귀환 저항과 입력(또는 접지 쪽) 저항을 입력합니다.
- 이득을 배수와 dB로 읽고, 입력 전압에 대한 출력도 확인합니다.
- 출력을 전원 전압과 비교합니다. 전원에 가깝거나 넘으면 실제 OP 앰프 출력은 잘립니다.
자주 하는 실수
- 출력 범위를 잊기. 5 V 단전원의 LM358은 출력이 약 3.5 V보다 크게 올라가지 못합니다. 레일 투 레일 출력 부품만 양쪽 전원 가까이 갑니다.
- 높은 주파수에서 큰 이득 기대하기. 이득과 대역폭의 곱은 거의 일정합니다. 이득 대역폭 곱이 1 MHz인 부품을 이득 100으로 쓰면 평탄한 구간은 약 10 kHz까지입니다.
- 단전원에서 바이어스 없이 쓰기. 단전원에서는 교류 입력이 0 V 아래로 내려갑니다. 비반전 입력을 전원의 절반으로 바이어스하고 신호는 커패시터로 결합하세요.
저항값 고르기
일반 OP 앰프에는 대략 1 kΩ에서 100 kΩ 사이 값이 무난합니다. 훨씬 작으면 출력과 신호원에 부하가 되고, 훨씬 크면 바이어스 전류와 기생 용량의 영향이 커집니다. 반전 증폭기에서는 입력 저항이 곧 신호원이 보는 입력 임피던스라서, 1 kΩ 입력 저항은 센서에 큰 부하입니다. 회로가 발진하거나 잡음을 타면 큰 귀환 저항에 작은 커패시터를 병렬로 달아 보세요.
자주 묻는 질문
비반전 증폭기로 1배보다 작은 이득을 만들 수 있나요?
없습니다. 비반전 증폭기의 이득은 1 + (Rf)/(Rg)라서 최소 1배입니다. Rf를 0으로, Rg를 없애면 이득 1배인 전압 팔로워(버퍼)가 됩니다. 신호를 줄이려면 앞단에 전압 분배기를 두거나 반전 증폭기를 씁니다.
계산된 출력이 전원 전압보다 크면 어떻게 되나요?
출력이 전원 근처에서 잘려서(포화) 파형이 찌그러집니다. 레일투레일(rail-to-rail) 제품이 아니면 전원보다 1~2 V 낮은 지점에서 포화되니 여유를 두고 설계하세요.