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1. 연산 증폭기의 비선형 특성을 이용한 응용 회로
1.1. 비교기(Comparator)
비교기(Comparator)는 연산 증폭기의 비선형 특성을 이용한 대표적인 응용 회로이다. 비교기는 입력 전압이 어떤 일정 레벨을 넘는 것을 감지하는 회로이다. 연산 증폭기의 비반전 입력단에 신호 전압 Vin을, 반전 입력단에 기준 전압 VREF를 인가하면 입력 전압이 기준 전압보다 큰지 작은지를 검출할 수 있는 전압 검출기를 구현할 수 있다.
회로에 궤환이 존재하지 않으므로 연산 증폭기의 출력은 입력 전압과 기준 전압의 차이에 따라 포화된다. 즉, Vin이 VREF보다 크면 출력은 최대값 +Vmax로 포화되고, Vin이 VREF보다 작으면 출력은 최소값 -Vmax로 포화된다. 이를 통해 연산 증폭기가 비교기로 동작하게 된다.
비교기의 동작은 다음과 같다. Vin이 VREF보다 크면 출력은 +Vmax가 되고, Vin이 VREF보다 작으면 출력은 -Vmax가 된다. 이 때 Vin과 VREF가 같은 경우 출력은 불안정하게 된다. 이 불안정한 영역을 크로스오버 전압 (VCROSS)이라 한다. 크로스오버 전압은 일반적으로 0V 부근에 존재한다.
비교기는 간단한 구조로 구현할 수 있으며, 기준 전압과의 비교를 통해 신호의 크기를 검출할 수 있어 다양한 응용 분야에 활용된다. 전압 레벨 검출, 과전압 보호, 펄스 폭 변조 회로 등에 사용된다. 또한 비교기의 출력을 LED나 릴레이 등과 연결하여 전압 레벨 감지 회로를 구현할 수 있다.
1.2. 능동 반파 정류기(Active Half-Wave Rectifier)
능동 반파 정류기(Active Half-Wave Rectifier)는 연산증폭기의 비선형 특성을 이용한 대표적인 응용 회로이다. 이 회로는 입력 전압이 정전압일 경우 출력 전압을 측정할 수 있지만, 입력 전압이 부전압일 경우에는 출력이 측정되지 않는다.
[그림 2]에 나타난 것과 같이, 연산증폭기의 출력단에 다이오드를 연결하여 능동 반파 정류기를 구현할 수 있다. 연산증폭기의 비반전 입력단자에 입력 전압 (V_in)을 인가하고, 반전 입력단자는 접지에 연결된다. 이렇게 구성된 회로에서 입력이 정전압일 경우 연산증폭기의 출력이 V_max가 되어 다이오드가 도통되어 출력 전압이 나타나지만, 입력이 부전압일 경우 연산증폭기의 출력이 0V가 되어 다이오드가 차단되어 출력 전압이 나타나지 않는다.
따라서 이 회로는 입력 신호의 한 반주기(positive half-cycle)만을 출력으로 내보내는 반파 정류 기능을 수행한다. 능동 반파 정류기는 단순한 구조로도 구현할 수 있어 정류 회로로 많이 사용되며, 정류된 출력 신호는 후단의 회로에서 다양하게 활용될 수 있다.
1.3. 능동 피크 검출기(Active Peak Detector)
능동 피크 검출기(Active Peak Detector)는 입력 파형의 피크(최대)값이 DC 출력 전압으로 나타나는 회로이다. 이 회로는 능동 반파 정류기의 출력단에 캐패시터를 병렬 연결하여 구현할 수 있다.
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