연산 증폭기는 대형 튜브로 만든 전문 기기부터 실리콘, 게르마늄, 갈륨비소 조각으로 구성된 소형의 모놀리식 회로까지 급증하고 있다. 수십여 제조업체들이 다양한 기능 및 스펙으로 수 백 가지 연산 증폭기들을 생산하고 있다. 연산 증폭기를 선택할 때 대다수 엔지니어들이 찾는 첫 번째 스펙 중 하나가 대역폭이다.

제조업체들은 이를 알고 디바이스 대역폭을 데이터시트에 잘 보이도록 싣고 있다. 첫 페이지에 디바이스 대역폭 수치가 없는 연산 증폭기 데이터시트는 드물다. 소신호 대역폭은 가장 큰 수치이기 때문에 가장 중요해 보이는 경우가 많다. 하지만 이 수치가 얼마나 중요한지, 다른 디바이스 성능 지표와는 어떤 관계에 있는지도 질문해봐야 할 것이다. 이 글에서는 그 질문들에 답해보고자 한다.


<글 : 로렌 지베르트 (Loren Siebert) 텍사스인스트루먼트 애플리케이션 엔지니어>
<자료제공 : 텍사스인스트루먼트(www.ti.com)>

전형적인 전압 피드백 연산 증폭기 대역폭과 게인 플롯의 비교는 [그림1]에서 나와 있다. 게인이 소신호 대역폭에서 큰 역할을 하는 것은 분명하다. 사실 이 관계는 대부분의 게인에서 대역폭(BW)과 게인(G)의 곱이 상수일 정도로 안정돼 있다.

[그림1]의 증폭기 A는 약 280㎒의 게인 대역폭 상수를 가진다. 이에 대한 예외가 통일 게인, 즉 G=1 인 경우다. 게인이 1인 경우 소신호 대역폭은 800㎒다.

[그림2]와 같이 거의 동일하지만 증폭기 B가 약 450㎒의 게인 대역폭 산출 값을 갖는다는 것만 다르다. 이 증폭기들은 비슷한 헤드라인 소신호 대역폭 수치를 가지고 있다. 이들이 다른 척도에서 얼마나 밀접하게 성능을 발휘하는지 살펴보자.

[그림3]과 [그림4]에서 보듯이 증폭기 B가 훨씬 뛰어난 왜곡 성능을 발휘한다는 것을 알 수 있다.


이어 [표1]에서도 다양한 성능 지표들을 비교해볼 수 있다. 처음에는 증폭기 B가 증폭기 A보다 확연하게 월등해 보이지만 그림 전체를 살펴보면 꼭 그렇다고 할 수 없다. 증폭기 B는 게인 대역폭 산출 값과 왜곡 및 출력 전류에서 더욱 뛰어나다. 하지만 증폭기 A는 잡음 전압이 더 낮고 전력을 훨씬 적게 소비한다.

지금까지의 정보로 보면 소신호 통일 게인 대역폭은 증폭기 성능을 예측하는데 그리 유용해 보이지 않는다. 그렇다면 게인 대역폭 산출 값이 더 나을까?

증폭기 A와 B의 경우 게인 대역폭 산출 값이 왜곡이나 선형성과 관련해 증폭기 성능과 웬만큼 연관성이 있는 듯하다. 하지만 이 관계가 반드시 보장되는 것은 아니다. 증폭기 C와 D는 게인 대역폭 산출 값과 선형성 사이에서 상반되는 관계를 가지고 있기 때문이다.

다시 말해 증폭기 성능을 쉽게 판단할 수 있는 지름길은 없다는 말이다. 왜곡이 설계에 중요하다면 제품 데이터시트에서 그 왜곡 스펙을 확인해야 할 것이다.

대신호 대역폭은 소신호 대역폭과 상관관계에 있지 않으며 왜곡 성능과도 상관관계에 있지 않다. 하지만 슬루율과의 상관관계는 높다. 사실 이것은 2개의 파라미터가 밀접하게 연결돼 있는 경우다. 증폭기가 큰 진폭 신호를 생성할 수 있는지는 그 증폭기의 슬루율 성능에 달려 있다.

대신호 대역폭처럼 입력 잡음과 공급 전류와 같은 다른 파라미터들은 소신호 대역폭과 연관성이 없다. 사실상 저전력 및 저잡음 증폭기를 찾는 사람들이 실제로 증폭기 A를 증폭기 B보다 선호하는 이유를 이해할 수 있을 것이다. 증폭기 C와 증폭기 D 중에서는 선택하기가 더욱 쉽다. 매우 작은 잡음 차이를 제외하면 증폭기 C가 확실히 월등하다.

결론
소신호 대역폭이 증폭기 마케팅의 중요한 스펙인 경우가 많긴 하지만 실제 특정 애플리케이션에서 증폭기를 선택할 때에는 반드시 그렇지는 않다.

사용자에게 추천할 증폭기를 고를 때 본 저자는 소신호 대역폭 수치를 본다. 그리고 재빨리 눈을 돌려 왜곡, 슬루율, 입력 잡음, 공급 전류 및 공급 전압과 같은 다른 주요 스펙들을 살펴본다.

 

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