OP AMP 비교기(Comparator)의 개념과 동작 원리

오늘은 OP AMP의 용도 중 하나인 '비교기(Comparator)'에 대해서 기본 개념과 동작 원리에 대해서 정리해 보겠습니다.

 

※OP AMP란? 완벽정리

[전자회로] OP AMP란? 이상적인 OP AMP 특성 정리

 

※OP AMP 응용 회로

[전자회로] OP AMP 응용 회로(반전 증폭기, 비반전 증폭기, 차동 증폭기)

 

※OP AMP 성능 정리

[전자회로] OP AMP의 성능 정리 (CMRR, PSRR, Offset Voltage, Slew rate)

 

 

 

1. 비교기(Comparator)란?

 

 

비교기란, OP AMP 두 개의 입력 단자의 전압을 비교하여, 더 큰 쪽을 가리키는 디지털 신호를 출력하는 회로를 말합니다. 

비교기의 동작

위의 그림처럼, 입력 단자 V+가 V-보다 크면 Vs+이 출력되고,

입력 단자 V-가 V+보다 크면 Vs-가 출력이 됩니다.

기준전압 Vref와 Vin을 비교하여 디지털 신호를 출력

비교기는 주로 하나의 입력 단자에 기준 전압(Vref)을 고정한 상태에서, 나머지 하나의 입력 단자에 아날로그 신호(Vin)를 인가하여, 기준 전압과 아날로그 신호를 비교하여 출력 신호를 내는 방식으로 많이 사용됩니다.

즉, 아날로그 신호를 입력받아 디지털 신호를 출력하는 방식입니다.

 

2. 비교기 동작 원리

 

OP AMP 등가회로

OP AMP의 동작은 기본적으로 두 입력 간의 신호 차이를 증폭하여 출력 신호를 출력합니다.

'Vout = GVin'

'Vin = V+ - V-'

이상적인 OP AMP의 경우 Open Loop Gain(G)은 무한합니다. Open Loop Gain이란 Negative Feedback이 없는 경우의 Gain을 뜻합니다. 즉, 비교기의 경우 Negative Feedback이 없기 때문에 무한한 전압이득을 같습니다.

따라서, 입력 단자 V+이 V-보다 조금이라도 크다면 Vin > 0이 됩니다. 

전압이득(G)이 무한대이므로, 출력은 최대 전압인 Vs+로 포화됩니다.

If) Vin > 0, Vout = Vs+로 포화

반대로 입력 단자 V-가 V+보다 조금이라도 크다면 Vin < 0이 됩니다.

전압이득(G)이 무한대이므로, 출력은 최소 전압인 Vs-으로 포화됩니다.

If) Vin < 0, Vout = Vs-로 포화

즉, 출력 신호는 Vs+ 또는 Vs-만 출력하게 됩니다. 

 

예를 들어, OP AMP의 전원 전압이 5V라고 가정하겠습니다. (Vs+ = 5V, Vs- = 0V)

두 입력 단자의 신호를 비교하여, 출력 신호는 5V(HIGH) 또는 0V(LOW)만 출력이 됩니다.

 HIGH, LOW 출력 신호를 통해 비교기 뒷단의 회로를 제어할 수 있습니다.

 

※사진 출처: 해시넷, Rohm