증폭기 출력이 삼각파처럼 바뀐다면 진폭도 낮춰 보세요

먼저 알아둘 용어

연산증폭기(operational amplifier) — 두 입력의 전압 차이를 증폭하는 소자입니다. 출력 일부를 입력으로 되돌리는 피드백(feedback)을 걸어 원하는 증폭 비율로 사용합니다.

슬루율(SR, slew rate) — 출력 전압이 단위 시간에 변할 수 있는 최대 속도입니다. V/μs는 1마이크로초, 즉 100만 분의 1초 동안 변하는 전압을 나타냅니다.

피크(peak) 진폭(Vp) — 파형의 중심에서 꼭대기까지의 전압입니다. 양의 꼭대기부터 음의 꼭대기까지 잰 피크 대 피크 값과 구분합니다.

폐루프 이득·출력 스윙(swing) — 폐루프 이득은 피드백을 연결했을 때 입력과 출력의 비율이고, 출력 스윙은 출력이 도달할 수 있는 전압 범위입니다. 전원 전압에 가까워져 꼭대기가 잘리는 현상과 속도가 부족해 경사가 제한되는 현상을 나누어 봅니다.

내부 커패시터를 충전하는 속도로 이해합니다

원리를 설명하기 위해 일정 전류 I가 내부 커패시터(capacitor) C를 충전하는 단순 모델을 가정하겠습니다. 전압 변화율은 I/C입니다. I=15 μA, C=30 pF이면 0.5 V/μs입니다. μA는 100만 분의 1 A, pF는 1조 분의 1 F입니다. 10 V를 바꾸는 데 적어도 20 μs가 필요하다는 뜻입니다. 이 모델은 모든 연산증폭기의 실제 내부 구조를 나타내는 것은 아닙니다.

상승시간을 읽을 때는 시작점과 끝점도 정의합니다. 0 V에서 5 V로 변하는 계단의 10~90% 구간은 0.5 V에서 4.5 V까지이므로 전압 차이가 4 V입니다. 이 구간이 2 ns라면 평균 기울기는 2 V/ns입니다. 5 V 전체를 같은 2 ns로 나눈 값과 섞지 않습니다. ns는 10억 분의 1초입니다.

주파수를 고정하고 진폭만 낮추면 무엇이 달라질까요

시간 t에서의 출력이 v(t)=Vp·sin(2πft)인 사인파라면 가장 큰 기울기는 2πfVp입니다. f는 1초당 반복 횟수인 주파수이며 단위는 Hz입니다. 필요한 슬루율은 주파수와 피크 진폭 모두에 비례합니다. 40 kHz·5 V 피크에서는 약 1.26 V/μs가 필요하므로 0.5 V/μs 모델로는 충분하지 않습니다. 같은 40 kHz라도 1 V 피크면 약 0.251 V/μs입니다. 진폭을 낮췄을 때 모양이 회복되는지는 속도 제한을 의심할 단서가 됩니다.

SR(Slew Rate)/(2πVp)는 기울기만으로 계산한 주파수 경계입니다. SR=0.5 V/μs일 때 5 V 피크이면 약 15.9 kHz, 1 V 피크이면 약 79.6 kHz입니다. 이 경계 아래라고 해서 왜곡, 출력 전류, 안정성, 목표 전압에 도달한 뒤 가라앉는 정착 과정까지 모두 합격하는 것은 아닙니다. 작은 진폭에서 얻은 대역폭을 큰 출력에도 그대로 적용하지 않습니다.

적용 절차와 검산

1. 부품, 전원, 폐루프 이득, 부하 저항·용량, 프로브(probe)를 기록합니다. 출력 스윙 한계에 닿지 않는 진폭에서 시작합니다.
2. 주파수만 바꾸어 입력과 출력의 진폭·모양을 함께 저장합니다.
3. 문제가 보인 주파수를 유지하고 진폭만 낮춥니다. 입력 파형 자체도 변형되지 않았는지 확인합니다.
4. 출력의 직선에 가까운 경사 구간에서 ΔV/Δt를 구합니다. ΔV는 두 점의 전압 차이, Δt는 그 사이 시간입니다. 상승과 하강을 각각 확인합니다.

출력이 평평하게 포화되면 스윙 한계를 먼저 확인합니다. 부하를 바꿀 때 기울기도 달라진다면 출력 전류 제한과 부하 커패시터의 충전 영향을 조사합니다. 프로브는 신호를 계측기로 전달하는 연결 도구입니다. 긴 접지선이 추가한 인덕턴스(inductance)와 프로브 입력 용량이 파형을 바꿀 수 있으므로, 허용되는 접지 기준에서 짧은 접속을 사용하고 대역폭·감쇠비를 고정해 비교합니다. 높은 전압이나 접지와 다른 전위를 측정할 때에는 그 차동(differential)·공통모드(common mode) 범위에 맞는 프로브가 필요합니다. 작은 신호의 상승시간을 모든 조건에서 슬루율로 해석하지 않습니다.