rail-to-rail op amp도 큰 부하에서는 rail까지 닿지 않는다
5 V supply의 rail-to-rail op amp라면 output 4.9 V도 당연히 가능해 보인다. 가벼운 load에서 가능했던 값이 낮은 저항을 연결하자 내려갈 수 있다. Rail-to-Rail Output은 supply까지 남는 거리와 load current를 함께 읽어야 하는 특성이다.
output transistor는 current를 공급하거나 받아들이면서 voltage drop을 만든다. bipolar 구조라면 saturation voltage, CMOS 구조라면 on resistance에 의한 drop이 rail 가까이에서 한계가 될 수 있다. feedback이 정상적으로 동작할 때의 작은 output impedance와, rail 근처에서 가능한 최대 swing은 서로 다른 질문이다.
Analog Devices MT-035 9–10쪽은 complementary output 구조와 load-dependent swing을 설명한다. CMOS output은 substantial current를 source·sink할 때 내부 FET의 I×R drop 때문에 swing이 줄어든다. 문서가 설명하는 일반 구조를 특정 제품의 보장 swing 값으로 옮겨 쓰지는 않는다.
load를 output에서 0 V로 연결한 저항이라고 정하자. 4.9 V를 만들 때 필요한 current는 RL=10 kΩ에서 0.49 mA, 1 kΩ에서 4.9 mA, 100 Ω에서 49 mA다. 같은 desired voltage라도 부하가 100배 무거워지면 요구 current도 100배다. voltage 범위 하나만 본 선택에서 놓치기 쉬운 조건이다.
가상의 upper swing boundary를 Vmax=5 V−0.05 V−20 Ω×Iload로 지정해 보자. 50 mV의 기본 headroom과 20 Ω의 current-dependent drop을 더한 설명용 모델이다. 실제 IC의 transistor curve나 closed-loop output resistance가 정확히 이 식이라는 뜻은 아니다. lower swing과 transient는 이 모델에서 계산하지 않는다.
저항 load에서는 Iload 자체가 Vmax/RL에 따라 달라진다. 따라서 경계를 일관되게 풀면 Vmax=4.95 V/(1+20 Ω/RL)다. RL=10 kΩ이면 약 4.940 V, 1 kΩ이면 약 4.853 V, 100 Ω이면 4.125 V다. 각 결과는 같은 load의 current를 다시 사용한 값이다.
이 모델에서 목표 4.9 V는 10 kΩ load에서는 upper boundary 안에 있지만 1 kΩ에서는 밖이다. 100 Ω에서 49 mA가 필요하다고 계산한 것은 요구 사항이지, amplifier가 그 전류로 4.9 V를 보장한다는 근거가 아니다. 실제로 가능한 경계에서 voltage와 current를 함께 구해야 한다.
datasheet의 output swing 표는 supply와 load, 온도, 최소·전형값 조건을 확인하며 읽는다. RL이 연결된 기준 전압도 중요하다. 5 V supply에서 같은 1 kΩ를 0 V에 연결한 경우와 2.5 V에 연결한 경우는 4.9 V의 source current가 각각 4.9 mA와 2.4 mA로 다르다.
lower rail 부근에는 sink current와 낮은 쪽 transistor의 조건이 적용된다. upper 쪽에서 얻은 숫자를 그대로 뒤집어도 되는지는 실제 구조와 specification에 달려 있다. short-circuit current 정격을 높은 precision을 유지하는 linear drive current로 사용하지 않는다. current를 흘릴 수 있다는 것과 gain·distortion·swing을 만족한다는 것은 별도의 조건이다.
신호가 빠르거나 load가 capacitive하면 DC swing에 들어온 경우에도 settling과 stability를 확인한다. 이는 DC headroom 계산을 없애는 조건이 아니라 추가로 만족해야 하는 조건이다. ADC에 전달하는 usable range를 정할 때는 요구 frequency와 load 조건에서 정확도가 유지되는 범위를 사용한다.
Rail-to-Rail Output을 제대로 읽으면 rail에서 몇 mV 떨어질지를 부품 이름으로 추측하지 않는다. 목표 voltage에서 필요한 source·sink current를 먼저 구하고, 동일한 조건의 보장 swing과 비교한다. 이 절차로 가벼운 시험 부하에서는 통과했지만 실제 연결에서 포화되는 회로를 피할 수 있다.