전류 감지 애플리케이션으로 LM321과 같은 범용 연산 증폭기를 사용하는 개발자가 종종 있다. 이 연산 증폭기는 수년 간 사용된 레거시 연산 증폭기다. 이러한 레거시 연산 증폭기들은 가격이 저렴해 수많은 애플리케이션에 사용된다.

그런데 간혹 이 연산 증폭기가 자신들의 전류 감지 회로에서 작동하지 않는다는 문의가 종종 있다. 하지만 회수한 연산 증폭기를 면밀히 살펴보면 문제없이 잘 작동한다. 무엇이 문제일까?

연산 증폭기의 '범용'의 의미는 '모든 용도'를 의미하지는 않기 때문이다. 전류 감지 애플리케이션에서는 높은 정밀도의 연산 증폭기를 필요로 한다. 전류 감지는 통상적으로 전력 관리 및 과전류 보호용 애플리케이션에 사용되기 때문이다.

만약 정밀도가 낮다면 어떻게 될까? 실제로 휴대폰 배터리가 다 닳았을 때, 핸드폰 게이지에는 그 잔량이 8%로 표시될 수도 있다. 과전류 회로를 100A에서 작동하도록 설계해도 보호 회로가 150A가 될 때까지 동작하지 않아서 모든 장치가 손상될 수 있다. 이것이 범용과 정밀의 차이다.

정밀 연산 증폭기에서 가장 중요한 요구사항 중 하나는 입력 오프셋 전압이다. CMRR 및 PSRR의 경우 더 나은 사양이 있지만, 이 두 매개변수는 모두 공통 모드 전압 또는 전원 공급 전압에 따라 변경되는 입력 오프셋 전압으로 실현될 수 있다.

입력 오프셋 전압이란 무엇일까? 이는 각각의 모든 연산 증폭기의 입력에서 고유한 오프셋으로, 제조 과정에서 발생하는 입력 트랜지스터 쌍의 약간의 불일치로 발생한다. 우리는 학교에서 이상적인 연산 증폭기의 입력 오프셋 전압이 제로라고 배우지만, 실제로는 그렇지 않다.

LM321과 같은 레거시 범용 연산 증폭기는 VOS = ±7mV를, NCS20071과 같은 최신 범용 연산 증폭기는 VOS = ± 3.5mV를 가진다. 이 최대 사양은 거의 0에 집중된 분포를 기반으로 한다. 이는 무작위로 선택된 연산증폭기는 거의 0 오프셋을 나타낸다는 것을 의미한다.

프로토타입 회로가 공통의 LM321과 완벽하게 작동한다고 확신할 수 있지만, 회로가 대량 생산되는 경우에는 상당한 비율의 고장이 발생할 수 있다. 제조 과정에서 부품 간 편차가 발생하고 일부 부품은 한계에 가까워지기 때문이다.

따라서 개발자는 항상 최대 입력 오프셋 전압을 염두에 두고 회로를 설계를 해야만 한다. 입력 오프셋 전압 한계, CMRR 한계, 저항 네트워크 허용 오차, 온도 영향 등과 같은 최악의 경우를 위해 회로를 점검하는 것은 매우 중요한 절차임을 명심해야 한다.

글 : 파르하나 사르더(Farhana Sarder) / 프로덕트 매니저 / 온세미컨덕터