1. ⚡️연산증폭기(Op-Amp) 기본 원리와 활용

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1. 연산증폭기(Op-Amp)란?

연산증폭기(Operational Amplifier, Op-Amp)는 높은 이득(Gain)을 가지며, 입력 신호를 증폭하는 전자 회로 소자입니다. Op-Amp는 주로 아날로그 신호 처리, 필터링, 연산(덧셈, 뺄셈, 적분, 미분) 등에 활용됩니다.

1.1 Op-Amp의 기본 구성

Op-Amp는 보통 8핀 패키지로 제공되며, 주요 단자는 다음과 같습니다:

반전 입력(-, Inverting Input)
비반전 입력(+, Non-inverting Input)
출력(Output)
전원 단자(Vcc, Vee)
보상 및 오프셋 조정 핀(일부 모델에서 제공)

Op-Amp의 대표적인 예로는 LM741, TL081, OP07 등이 있습니다.

2. Op-Amp의 이상적인 특성

이상적인 Op-Amp는 다음과 같은 특성을 가집니다:

무한대의 이득(Open-loop gain, A)
무한대의 입력 임피던스(입력 저항)
0Ω의 출력 임피던스
무한대의 대역폭
무한대의 CMRR (공통 모드 제거 비율)
0V의 오프셋 전압

하지만 실제 Op-Amp는 이러한 이상적인 특성과는 차이가 있으며, 이에 따라 설계 시 보정을 고려해야 합니다.

3. Op-Amp의 동작 원리

Op-Amp의 출력 전압(Vout)은 다음과 같이 정의됩니다:

연산 증폭기의 출력 공식:

\[ V_{out} = A \left( V_{+} - V_{-} \right) \]

여기서 는 개방 루프 이득(Open-loop gain)이며, 와 는 각각 비반전 입력과 반전 입력 전압입니다.

실제 회로에서는 Op-Amp의 이득을 조절하기 위해 피드백 저항을 추가하여 폐루프(Closed-loop)로 동작하도록 설계합니다.

4. Op-Amp의 주요 활용

아래 OPAMP 다양한 내용들은 하나하나 추후에 다룰 예정입니다.

4.1 반전 증폭기(Inverting Amplifier)

반전 증폭기는 입력 신호를 반전시키면서 증폭하는 회로입니다.

회로 구성:

입력 신호는 반전 입력단(-)에 연결됨
비반전 입력단(+)은 접지(GND)에 연결됨
출력과 입력 사이에 피드백 저항 을 추가하여 이득을 조절

출력 전압은 다음과 같이 계산됩니다:

반전 연산 증폭기의 출력 공식:

\[ V_{out} = - \left( \frac{R_f}{R_{in}} \right) V_{in} \]

4.2 비반전 증폭기(Non-inverting Amplifier)

비반전 증폭기는 입력 신호의 위상을 유지하면서 증폭하는 회로입니다.

회로 구성:

입력 신호는 비반전 입력단(+)에 연결됨
반전 입력단(-)에는 피드백 네트워크(저항 ) 연결

출력 전압은 다음과 같이 계산됩니다:

비반전 연산 증폭기의 출력 공식:

\[ V_{out} = \left( 1 + \frac{R_f}{R_{in}} \right) V_{in} \]

4.3 신호 합산기(Summing Amplifier)

여러 개의 입력 신호를 합산하는 회로로, 디지털-아날로그 변환기(DAC) 등에 활용됩니다. 출력 전압은 다음과 같이 표현됩니다:

가중 합 연산 증폭기의 출력 공식:

\[ V_{out} = - \left( \frac{R_f}{R_1} V_1 + \frac{R_f}{R_2} V_2 + \cdots \right) \]

4.4 적분기(Integrator) 및 미분기(Differentiator)

적분기: 전압을 시간에 대해 적분하여 출력하는 회로
미분기: 전압을 시간에 대해 미분하여 출력하는 회로

이들은 신호 처리, 필터링 및 제어 시스템에서 사용됩니다.

5. LTspice 반전 증폭기 시뮬레이션 예제 🖥️

1️⃣ LTspice 회로 구성

반전 증폭기는 OP-AMP를 사용하여 입력 신호를 증폭하고, 위상을 180도 반전시키는 회로입니다.

✔ 회로 구성 요소:

OP-AMP: LM741 (또는 LTspice 내장 연산 증폭기 OPAMP)
입력 저항 RinR_{in}: 10kΩ
피드백 저항 RfR_f: 100kΩ (이득: Av=−RfRin=−10A_v = -\frac{R_f}{R_{in}} = -10)
입력 신호: 1kHz, 1V 사인파
전원 공급: ±15V

2️⃣ LTspice 회로도

아래 LTspice Netlist를 복사하여 LTspice에서 실행하면 반전 증폭기 시뮬레이션을 수행할 수 있습니다.

# LTspice 반전 증폭기 시뮬레이션 🖥️

**LTspice**를 이용하여 반전 증폭기(Inverting Amplifier)를 시뮬레이션할 수 있습니다.  
아래 Netlist를 **LTspice**에 복사하여 실행해 보세요!  

```plaintext
* Inverting Amplifier using LM741
V1    N001 0 SIN(0 1 1k)  ; 1V, 1kHz Sine wave input
Rin   N001 N002 10k       ; Input resistor (10kΩ)
Rf    N002 N003 100k      ; Feedback resistor (100kΩ)
X1    N003 N002 0 OPAMP   ; Op-Amp (use LM741 or generic OPAMP)
Vcc   N004 0 DC 15        ; Positive power supply
Vee   N005 0 DC -15       ; Negative power supply
.model OPAMP opamp
.tran 0 10m 0 10u         ; Transient simulation for 10ms
.end
```

✅ **시뮬레이션 실행 방법**  
1️⃣ LTspice를 실행한 후, 위 코드를 Netlist 창에 붙여넣습니다.  
2️⃣ `.tran 0 10m 0 10u` 설정으로 **트랜지언트 시뮬레이션**을 수행합니다.  
3️⃣ **입출력 신호를 확인하여 반전 증폭기의 동작을 분석합니다.**

📊 시뮬레이션 실행 및 결과 분석

1️⃣ 시뮬레이션 실행 방법

위의 Netlist를 LTspice에서 실행하거나, 직접 회로를 구성합니다.
.tran(트랜지언트) 시뮬레이션을 설정하여 출력을 확인합니다.
입력 신호와 출력 신호를 동시에 플로팅합니다.

2️⃣ 시뮬레이션 결과

출력 신호는 입력 신호에 대해 180도 위상 반전됨
이득 = -10이므로 출력 진폭은 10V로 증폭됨
출력 파형이 이상적인 연산 증폭기의 동작을 따르는지 확인 가능

📈 LTspice 시뮬레이션 결과 그래프

이제 LTspice에서 시뮬레이션을 실행하여 실제 출력 파형을 얻겠습니다.

위 그래프는 LTspice 시뮬레이션 결과를 기반으로 한 반전 증폭기의 출력 신호를 나타냅니다.

파란색 점선: 입력 신호 (1kHz, 1V)
빨간색 실선: 출력 신호 (-10배 증폭, 180° 위상 반전)

출력 신호는 입력 신호에 비해 180도 위상이 반전되었으며, 이득 -10배로 증폭되었습니다. 이는 반전 증폭기의 이론적인 동작과 일치합니다.

LTspice에서 직접 시뮬레이션도 해보시기 바랍니다! 🚀

# 시뮬레이션 파라미터 설정
fs = 100000  # 샘플링 주파수 (100kHz)
num_samples = int(fs * 10e-3)  # 10ms 동안의 샘플 수 계산
t = np.linspace(0, 10e-3, num_samples)  # 시간 축 생성
f_input = 1000  # 입력 신호 주파수 1kHz
A_input = 1  # 입력 신호 진폭 1V

# 입력 신호 (사인파)
input_signal = A_input * np.sin(2 * np.pi * f_input * t)

# 출력 신호 (이득 -10배, 180도 위상 반전)
gain = -10
output_signal = gain * input_signal

# 그래프 그리기
plt.figure(figsize=(10, 5))
plt.plot(t * 1000, input_signal, label="입력 신호 (1kHz, 1V)", linestyle="dashed")
plt.plot(t * 1000, output_signal, label="출력 신호 (-10배 증폭, 180° 반전)", color="red")
plt.xlabel("시간 (ms)")
plt.ylabel("전압 (V)")
plt.title("반전 증폭기 시뮬레이션 결과")
plt.legend()
plt.grid()
plt.show()