개념 한 쪽
증폭회로는 입력신호의 크기를 키워 출력으로 내보내는 회로이며, 전압 이득과 잡음, 궤환 특성 등으로 성능을 평가한다. 연산증폭기는 이상 모델과 실제 소자의 차이를 이해하는 것이 중요하며, dB 표기와 선형 이득 변환을 정확히 다루어야 한다. 부궤환은 이득을 낮추는 대신 안정도와 대역폭을 개선하는 주요 방법이므로 설계에서 자주 활용한다.
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출제기준 단원 「각종 증폭회로」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 전압 이득(dB) 계산 | 1 | 입력·출력 전압비로 전압 이득을 dB로 구하는 계산 능력 |
| 이상적 Op-Amp 특성 판별 | 1 | 이상적 연산증폭기의 표준 특성 중 옳고 그름을 가리는 이해력 |
| 이상적 특성의 부정형 문장 판별 | 1 | 이상적 연산증폭기 설명에서 부적절한 항목을 찾는 논리 |
연산증폭기(Op-Amp)의 이상적 특성은 입력 임피던스가 무한대이고 출력 임피던스가 0에 가깝고 전압 이득이 무한대이며 공통모드 제거비(CMRR)가 무한대인 것으로 가정한다고 설명한다. 이러한 이상 모델은 해석과 설계의 기준점이 되므로 문제에서 '이상적'이라는 표현에 주목해야 한다.
전압 이득을 데시벨(dB)로 나타낼 때는 전압비에 대해 20log10을 사용하는 것을 원칙으로 한다. 전압비를 dB로 혹은 dB를 선형 이득으로 바꿀 때는 단위 통일을 먼저 수행해야 하며, 전압 기준에서는 20배수 공식을 사용한다는 점을 강조한다.
잡음지수(FN)는 증폭기가 신호에 추가하는 잡음의 정도를 나타내는 지표로 입력 S/N 비를 출력 S/N 비로 나눈 값으로 정의된다고 설명한다. 잡음지수는 1에 가까울수록 증폭기가 거의 잡음을 추가하지 않는다는 의미가 된다.
부궤환(음성 피드백)의 핵심 효과는 폐루프에서 이득을 낮추는 대신 안정성, 주파수 응답, 대역폭 및 왜곡 특성을 개선하는 것이라고 정리한다. 궤환을 적용할 때는 dB를 선형 이득으로 변환한 뒤 관련 식에 대입하여 필요한 궤환률 β를 산정한다.
예1) 입력전압 1mV에 대해 출력전압 10V가 나오는 증폭기의 전압 이득을 dB로 계산한다. 입력 1mV는 0.001V이므로 전압비는 10V ÷ 0.001V = 10,000배이다. 전압 이득(dB)은 20 × log10(10,000) = 20 × 4 = 80dB가 된다.
예2) 전압 이득이 20dB인 증폭기에 100mV의 입력을 가했을 때 출력전압을 구한다. 20dB는 전압비 10배를 의미하므로 출력전압은 100mV × 10 = 1V가 된다.
어떤 증폭기에 입력전압을 1(㎷)를 인가했을 때 출력전압이 10(V)이었다. 이 증폭기의 이득(㏈)은?
정답 ④ · 증폭기의 전압 이득(Av)은 출력 전압을 입력 전압으로 나눈 값입니다. 주어진 조건에 따라 계산하면 Av = 10(V) / 1(mV)이며, 단위를 맞추기 위해 1(mV)를 0.001(V)로 변환하여 계산합니다.
전압 이득(dB)은 20×log10(출력전압/입력전압) 공식으로 계산하며, 단위를 통일해야 한다.
일반적인 연산증폭기의 특징 중 옳지 않는 것은?
정답 ③ · 일반적인 연산증폭기의 특징 중 옳지 않은 것을 고르는 문제이다. 연산증폭기는 입력 임피던스가 매우 크고, 출력 임피던스가 매우 작으며, 개루프 전압 이득이 매우 큰 것이 특징이다.
이상적인 연산증폭기는 동상 신호 제거비(CMRR)가 무한대이므로 0은 옳지 않다.
이상적인 연산증폭기의 특징으로 적합하지 않은 것은?
정답 ① · 이상적인 연산증폭기의 특징으로 적합하지 않은 것을 고르는 문제이다. 이상적 연산증폭기는 입력 잡음이 전혀 없는 상태를 가정하므로 등가 입력 잡음 전력은 0이어야 한다.
이상적인 연산증폭기는 입력 잡음 전력이 0이어야 하므로 무한대라는 ①이 적합하지 않은 특징이다.
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