OP AMP의 Offset Voltage에 대해서..

이번 포스팅에서는 OP AMP의 DC 결함중 하나인 offset voltage에 대한 주제입니다.

OP AMP의 이상적인 특성에 따르면 두 입력 단자로 들어가는 차동 전압이 0V 이면 무한대의 Open Loop Gain을 곱해도 여전히 출력은 0이 되어야 하는게 맞습니다. 그러나 실제로는 두 입력 단자를 모두 접지시켰다고 해도 미세한 전압 차이가 발생할 수 있습니다. 

또한, 수십개의 Bipolar Transistor로 구성된 741 op amp는 구동을 위해서 반드시 입력 터미널로 전류가 들어가야 합니다. 이를 Input Bias Current라고 하는데, 이 전류에 의해서 각 터미널 단자에 전압강하가 일어나게 되고 결국 offset 전압폭을 더 크게 하는 효과를 냅니다.

위의 datasheet를 보면 입력 오프셋 전류는 200nA정도로 나와있습니다. Input Offset Current는 두 입력 단자로 들어가는 입력 바이어스 전류의 차이인데요, 이 전류가 크면 클수록 당연히 offset voltage에도 안좋은 영향을 미치게 됩니다.

위에서 보면 모두 typ, max값만 명시되어 있고 min값은 표시되어 있지 않은데, 이는 이상적인 op amp에서는 모두 존재하지 않는 값이기 때문입니다. 즉, 낮으면 낮을수록 좋기 때문에 굳이 명시를 하지 않은 것이죠.

실제로 LM741 opamp로 offset voltage를 측정하는 시뮬레이션을 해봤습니다.

위 회로와 같이 두 입력 단자를 모두 접지시키고 바로 출력을 측정하면, 이상적인 op amp라면 입력단자간의 전위차가 존재하지 않기 때문에 출력은 0V가 나와야 합니다. 그러나 실제 opamp의 경우에는 내부에 (offset voltage)가 존재하므로 출력전압은 0V가 아닌 A x 가 됩니다. 따라서 이론상으로 위와 같이 회로를 결선하고 를 이용하면 DC offset voltage를 구할 수 있을 것 같은데 실제로는 이러한 방법을 사용할 수 없습니다. 

그 이유는 왜일까요??

다음의 datasheet 값을 보면 답이 나오게 됩니다.

위에서 보면 LM741 amp의 입력 오프셋 전압값은 평균적으로 1mV 정도임을 알 수 있습니다. 

그리고 대신호 전압이득은 대력 200V/mV정도까지 나온다는 것을 확인할 수 있습니다.

그러면 위의 회로처럼 두 입력을 접지시키고 바로 출력단에서 전압을 측정하면 어떻게 될까요?

1mV 전압이 200V/mV의 개방회로 이득을 통해서 증폭되면 200V의 출력이 나오게 됩니다. 

op amp의 특성상 200V는 출력으로 내보낼 수 없습니다. 왜냐하면 전원전압으로 ±15V 를 사용하기 때문이죠. 이보다 큰 전압이 출력된다면 파형은 왜곡되며, 위아래가 잘리는 saturation현상이 나타나게 됩니다.

좀 더 보수적으로 측정해서, 입력 오프셋 전압은 0.5mV밖에 안나왔다고 가정하고, 전압 이득 또한 50V/mV정도밖에 되지 않는다고 가정해 봅시다. 그래도 역시 25V의 출력 전압이 나가게 됩니다. 

따라서 이같은 방법으로는 offset전압을 정확하게 측정할 수가 없습니다.

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다음과 같이 회로를 구성했다고 해 봅시다.

위와같이 Negative Feedback 회로를 구성해서 inverting amp 모델을 구성하게 되면 이 회로의 gain은 100V/V 의 closed loop gain을 갖게 됩니다. 따라서 입력 오프셋 전압에 100만큼 곱해진 DC 전압이 출력되겠지요.

시뮬레이션 결과는 9.916mV로 출력되었네요. 

이 출력 전압값에 이 회로의 폐회로이득 (-)100V/V 을 나눠주게 되면 9.916 / 100 = 0.0992mV, 대략 0.1mV 정도가 나옵니다.

위에서 확인했던 datasheet 값이랑은 다소 차이가 있긴 하지만 분명히 입력이 없는데도 불구하고 출력이 나오는 것을 확인할 수 있습니다.