계측 증폭기란?
계측 증폭기란 스트레인 게이지나 압력 트랜스듀서 등 각종 센서류의 매우 미약한 신호를 감지하여 고정밀도로 증폭하는 것을 주된 목적으로 하는 증폭기를 말합니다.
제조에 관련된 장치나 설비에서 압력이나 온도 등을 측정할 목적으로 각종 센서 신호를 증폭하기 위해 최적화된 증폭기 회로를 가지고 있기 때문에 계측 증폭기라고도 합니다. 그 외에도 인스트루멘테이션 앰프(Instrumentation amplifier)도 명칭 중 하나입니다.
일반적인 연산 증폭기와 계측 증폭기는 이득 설정도 다릅니다. 연산 증폭기에 비해 계측 증폭기는 미리 설정된 특정 좁은 범위 내에서 이득을 선택하는 만큼 정확도가 매우 높은 것이 특징입니다.
계측 증폭기의 사용 용도
계측 증폭기는 스트레인 게이지 등 각종 센서의 신호를 감지하고 안정적으로 증폭하기 위한 목적으로 사용됩니다. 계측 증폭기의 특성을 활용하여 노이즈 발생을 낮게 억제하고 각종 센서에서 검출되는 미약한 신호를 증폭하여 센서의 파라미터 동작을 최적화하는 등 산업용 계측 어플리케이션 시스템 용도로 널리 사용되고 있습니다.
이 외에도 모터 제어, 차량용 기기, 데이터 수집 장치 등 다양한 용도로 사용되고 있습니다.
계측 증폭기의 원리
계측 증폭기는 입력부에 차동형식을 가지고 출력부를 싱글 엔드 증폭기 출력으로 하여 입력 노이즈를 억제합니다. 특히 CMR이라고 불리는 공통 모드 제거비를 크게 확보하기 위한 목적에 충실한 증폭기 동작을 하는 것이 특징입니다.
연산 증폭기와 비교하면 특정 기능에 특화되어 설계된 증폭기마다 전용 목적에 맞게 사용하기 때문에 구조적으로는 연산 증폭기와 같지만 운용 방법 등이 다릅니다. 예를 들어, 고정밀 계측을 위해 바이어스 전류의 입력을 낮게 억제해야 하며, 나노 암페어 단위의 작은 값을 갖는 것이 일반적입니다.
차동 입력은 입력 단자 2개로 구성되며, 평형 상태 유지에 따라 수백 MΩ 이상의 높은 입력 임피던스를 갖는 반면, 일반적으로 출력 임피던스는 수 mΩ으로 상당히 낮게 설정되어 있습니다. 또한, 동작 방식에 있어서도 미리 설정된 좁은 범위 내에서 일반적으로 저항이나 단자를 이용하여 이득을 선택하기 때문에 연산 증폭기에 비해 사용 용도 범위가 좁고 유연성이 떨어지지만, 편차가 억제된 매우 높은 정밀도를 실현할 수 있습니다.
계측 증폭기의 기타 정보
1. 연산 증폭기와 계측 증폭기의 차이점
계측 증폭기는 회로 구성상 연산 증폭기를 사용하고 있지만, 회로로서의 취급은 연산 증폭기와는 크게 다릅니다. 연산 증폭기는 적분 회로, 전압 추종기 등 다양한 아날로그 회로에 사용되고 있으며, 그 가장 큰 특징은 출력에서 입력으로의 외부 피드백 루프에 있습니다.
이 피드백 루프가 연산 증폭기의 다양한 응용 분야에 적용 가능성을 높여주는 이유 중 하나이며, 이 설계에 따라 증폭기 전체의 여러 특성이 결정됩니다. 그러나 계측 증폭기에는 출력에서 입력으로의 외부 피드백 루프가 없습니다. 계측 증폭기는 내부에 연산 증폭기를 두 개 또는 세 개 가지고 있지만, 회로 구성상 차동 증폭과 공통 모드 제거의 역할에 충실한 증폭기입니다.
그 결과, 일반 연산 증폭기와 달리 계측 증폭기는 스트레인 게이지 등의 센서류에서 나오는 미약한 신호를 처리할 수 있습니다.
2. 센서 ASIC에 집적
계측 증폭기는 디스크리트 앰프로 취급하는 메이커도 있지만, 대부분 센서 ASIC로 대표되는 압력 트랜스듀서 등의 휘트스톤 브리지 회로와 쌍으로 사용되는 경우가 많아 압력 센서 등의 제어용 ASIC 회로의 일부로 활용되고 있습니다.
원래 계측 증폭기 자체가 개별 부품으로 보드에 구성되는 것보다 IC로 모놀리식 집적하는 것이 증폭기 트랜지스터 특성이나 저항의 쌍비를 확보하기 쉽고, 계측 증폭기로서의 특성을 이끌어 내기 쉽습니다.
또한, ASIC화에 따라 센서의 온도 보정 등 각종 파라미터의 보정 용도로 활용할 수 있으며, 마이컴과 연결되는 디지털 인터페이스의 집적과도 궁합이 좋아 소형화 및 고부가가치화에 적합합니다.