능동 소자(Active Element)

능동 소자(Active Element)

▪ 작은 신호(전력, 전압, 전류 중 하나)를 넣어 큰 출력 신호로 변화시킬 수 있는 전자 부품 소자

▪ 입력과 출력의 비율로 이득을 얻음

▪ 단독 사용이 힘들고 주위에 수동 소자가 있어야함(2개 이상의 소자를 하나의 부품에 집적한 것을 IC라고 함)

▪ 에너지 보존 법칙이 성립하여 정상 상태에서는 에너지 지수가 0으로 되기에 실제로 에너지가 발생하는 것은 아님

▪ 연산 증폭기(Op-Amp), 다이오드(Diode), 트랜지스터(Transistor) 등

연산 증폭기(OP-Amp)

OP 앰프라고 많이들 부르며 풀네임은 Operation Amplifier입니다. 간단하게 말하자면 신호를 증폭하는 기능과 연산(덧셈, 뺄셈, 미적분 등)을 할 수 있는 기능을 가진 하나의 직접 회로입니다. 2개의 입력과 1개의 출력을 가지는 증폭기로 (+) 단자에 신호를 넣으면 비반전 출력으로 동위상 출력이 나타나고, (-) 단자에 신호를 넣으면 반전 출력으로 역상의 신호가 출력됩니다. 이러한 이유로 (-) 단자를 반전 입력 단자, (+) 단자를 비반전 입력 단자라고 합니다. OP-Amp는 Open Loop Gain이 엄청 큰 값을 가지는 특성을 지닌 회로인데요. OP-Amp의 등가 모델 그림을 가지고 설명을해보도록 하겠습니다.

두 입력 단자(\(V_{+}-V_{-}\))에만 반응하므로 두 입력의 동상 신호(\(V_{+}=V_{-}\))는 무시됩니다. 즉, 같은 전압을 인가하면 이상적으로 출력이 0이 되는 것인데요. 이를 동상 모드 제거(CMRR)라고 부릅니다. 따라서 OP-Amp는 무한대의 CMRR 능력을 갖는다고 볼 수 있습니다.

OP-Amp의 특징은 큰 전압을 끌어오기 위해서 \(R_{in}\) 걸리는 전압이 최대한 커야하고 그렇기 때문에 이상적인 OP-Amp에서의 입력 임피던스는 무한대입니다. 그런 다음 비슷하게 \(R_{out}\)에 전압을 그대로 보내주기 위해서 \(R_{out}\)에 걸리는 전압이 최대한 낮아야 합니다. 때문에 이상적인 출력 임피던스 \(R_{out}\)은 0입니다.

정리해보자면 ¹입력 임피던스는 ∞, ²출력 임피던스는 0, ³전압 이득은 ∞라고 볼 수 있겠습니다.

다이오드(Diode)

다이오드(Diode)는 지정된 정격 전압 내에서 동작할 경우 단방향의 전류 흐름만 허용하는 장치입니다. 전류가 흐르는 것을 순방향 바이어스(Bias), 전류가 흐르지 않는 것을 역방향 바이어스(Reverse Bias)라하며 P형 실리콘과 N형 실리콘을 접합시켜 만듭니다. P쪽에는 (+)극, N쪽에는 (-)극이 연결되면 순방향 바이어스가 되며 반대로 P쪽에는 (-)극, N쪽에는 (+)극이 연결되면 역방향 바이어스가 된다고 보시면 되겠습니다.

트랜지스터(Transistor)

다이오드의 진화형으로 베이스(Base), 이미터(Emitter), 콜렉터(Collector)로 구분됩니다. 보통 위쪽을 콜렉터라하고 아래쪽을 이미터로 인식합니다. 증폭기 또는 스위치 2가지 용도로 사용되는데요. PNP형이든 NPN형이든 베이스는 매우 얇기 때문에 약한 전류가 흐르게 되고 이에 비해 컬렉터에서는 베이스에 흐르는 전류보다 매우 센 전류가 흐르는데 컬렉터 전류는 베이스 전류에 비례하는 성질이 있어 증폭 작용을 하게 되는 것입니다. 스위치는 입력 전압이 베리어 전위보다 높다면 전류가 흐르고 그렇지 않다면 흐르지 않는 성질을 이용하여 스위치로 사용합니다. 디지털 회로에서 트랜지스터가 나오면 보통 스위치라고 생각하시면 됩니다.