seegongsik
CR · 연산증폭기

연산증폭기 미분기

적분기에서 부품 두 개의 자리만 맞바꾸면 입력을 쌓아 가던 회로가 입력의 변화율을 재는 회로로 바뀐다. 입력 쪽에 커패시터를 둔 미분기가 어떻게 입력의 기울기를 출력 전압으로 내놓는지 이 유닛에서 익힌다.

비스듬한 입력이 평평한 출력을 만든다

하늘색 빗금은 일정한 기울기로 오르는 입력 램프이고, 금색 가로선이 출력이다. 입력은 비스듬히 올라가는데 출력은 평평하고, 그 높이는 입력이 얼마나 빨리 오르는지에만 달려 있다. 입력을 가파르게 할수록 출력은 더 아래로 내려가니, 출력이 초록 점선의 목표 −4V에 앉도록 기울기를 맞춘다.

입력 기울기 dVin/dtdVin/dt = +1.5 V/s
출력 높이와 입력 기울기
Vout = -1.5 V · slope = +1.5
목표 −4에서 멀다

입력을 커패시터로 받는다

적분기는 입력 저항으로 전류 Vin/R을 만들어 피드백 커패시터에 부었다. 미분기는 두 부품의 자리를 맞바꿔 입력에 커패시터를, 피드백에 저항을 둔다. 커패시터는 양단 전압이 변할 때만 전류를 흘리는데, 그 전류는 입력의 변화율에 비례하는 i = C·dVin/dt이다. 가상 접지 덕분에 이 전류는 모두 피드백 저항으로 흘러가 출력을 정한다.

출력은 입력의 변화율에 비례한다

피드백 저항에 흐르는 전류가 C·dVin/dt이니 출력은 그 전류 곱하기 R, 곧 Vout = −RC·dVin/dt이다. 일정한 입력은 변화율이 0이라 출력도 0이고, 입력이 빠르게 변할수록 출력이 커진다. 기울기가 일정한 램프를 넣으면 변화율이 내내 같으므로 출력은 기울기 곱하기 −RC, 그 높이에서 평평하게 머문다. 부호가 음수인 것은 반전 증폭기에서 물려받은 성질이라 오르는 입력에는 출력이 가로축 아래에 놓인다.

미분은 기울기를 읽는 일이다

입력이 아무렇게나 변하는 일반적인 경우에도 출력은 입력을 시간으로 미분한 값 Vout = −RC·dVin/dt이다. 미분은 매 순간 입력 곡선의 기울기를 읽어 내는 일이라, 삼각파를 넣으면 오를 때와 내릴 때 부호가 뒤집히는 구형파가 나온다. s-영역에서는 입력 커패시터의 임피던스 1/sC가 미분을 뜻하는 s를 만들어 이득이 −sRC가 되고, 적분기는 저항과 커패시터를 맞바꾼 거울상이다. 이득이 주파수에 비례해 커지므로 실제 회로에서는 높은 주파수의 잡음까지 크게 키우고, 그래서 입력 커패시터에 작은 저항을 직렬로 달아 높은 주파수에서 이득을 묶어 둔다.

관찰Vout = −RC dVin/dt
출력은 입력의 미분이다.
고르기input = ?
입력 자리에 커패시터를 둔다.
빈칸Vout = ?
출력은 변화율에 비례한다.
스스로gain = ?
미분은 s-영역에서 s.

첫 화면으로 돌아가서

입력 램프를 가파르게 할수록 금색 출력선은 더 아래로 내려갔고, 목표 −4V에 앉은 것은 입력 기울기가 +4일 때였다(RC = 1). 비스듬한 입력이 평평한 출력이 된 것은 커패시터가 입력의 변화율에 비례하는 전류를 흘리는데 램프의 기울기가 처음부터 끝까지 같았기 때문이다. 입력 아래 칠한 삼각형이 커져도 출력 높이는 그 넓이가 아니라 빗변의 기울기만 따랐는데, 바로 여기가 적분기와 갈리는 자리이다. 쌓아 가던 적분기가 부품 두 개를 맞바꾸자 미분기가 되었고, 기울기를 읽는 일을 회로가 맡게 되었다.

미분기는 반전 증폭기의 입력 저항을 커패시터로 바꾼 회로다. 커패시터는 입력이 변할 때만 전류 i = C·dVin/dt를 흘리고, 그 전류가 피드백 저항을 지나 출력은 입력을 미분한 Vout = −RC·dVin/dt가 된다. 기울기 m인 램프를 넣으면 출력은 −RC·m에서 평평하고, 일정한 입력에는 출력이 0이다. s-영역에서는 입력 커패시터의 1/sC가 미분의 s를 만들어 이득이 −sRC이며, 저항과 커패시터를 맞바꾸면 적분기가 된다.