비교기는 두 전압을 비교해 어느 쪽이 큰지를 High 또는 Low로 알려 주는 회로입니다. 배터리 전압이 낮아지면 알려 주는 경보, 빛의 밝기에 따라 켜지는 조명 같은 "문턱 판단"이 필요한 곳에 쓰입니다. 전용 비교기 IC도 있지만, 입문 단계에서는 흔한 연산증폭기 LM358을 비교기로 쓰는 경우가 많습니다. 이 글에서는 LM358의 특징, 비교기 회로 만들기, 출력이 떨리는 이유와 히스테리시스로 해결하는 방법, 쓸 때 주의점을 정리합니다.
LM358이란
LM358은 8핀 DIP 안에 연산증폭기(op-amp) 두 개가 들어 있는 IC입니다. LM324는 같은 회로가 네 개 들어 있는 14핀 제품입니다.
| 핀 | 이름 | 역할 |
|---|---|---|
| 1 | OUT A | 첫 번째 증폭기 출력 |
| 2 | IN− A | 첫 번째 반전 입력 |
| 3 | IN+ A | 첫 번째 비반전 입력 |
| 4 | V− (GND) | 접지(단일 전원일 때) |
| 5 | IN+ B | 두 번째 비반전 입력 |
| 6 | IN− B | 두 번째 반전 입력 |
| 7 | OUT B | 두 번째 출력 |
| 8 | V+ | 전원(약 3~32V) |
LM358의 장점은 단일 전원으로 쓸 수 있고 입력이 접지 전압(0V)까지 허용된다는 점입니다. 출력은 0V 근처까지 내려가지만, 높은 쪽은 전원 전압보다 약 1.5V 낮은 곳까지만 올라갑니다. 5V 전원이면 출력 High가 약 3.5V입니다.
비교기 동작
연산증폭기를 피드백 없이 쓰면 두 입력의 차이를 매우 크게 증폭하므로 출력이 거의 항상 한쪽 끝에 붙습니다.
- IN+ 전압 > IN− 전압: 출력 High
- IN+ 전압 < IN− 전압: 출력 Low
즉, 한쪽 입력에 기준 전압을, 다른 쪽에 감시할 전압을 넣으면 문턱을 넘었는지 알 수 있습니다.
예제: 12V 배터리 저전압 경보
12V 배터리가 10.5V 아래로 떨어지면 LED를 켜는 회로를 만들어 봅니다.
- 기준 전압: 5.1V 제너 다이오드와 저항으로 안정된 5.1V를 만듭니다(다이오드와 제너 다이오드). 12V 전원에서 제너 전류 5mA를 흘리면 저항은
(12 − 5.1) ÷ 0.005 ≈ 1.4kΩ이므로 1.5kΩ을 씁니다. - 감시 전압: 배터리를 분압해 10.5V에서 5.1V가 되게 합니다. R1 = 10kΩ(위), R2 = 9.1kΩ(아래)이면
10.5 × 9.1 / 19.1 ≈ 5.0V입니다. 분압 설계는 분압 회로 설계와 부하 효과를 참고하세요. - 비교기 연결: 분압 출력(감시 전압)을 IN−에, 기준 전압을 IN+에 넣습니다. 배터리가 충분하면 감시 전압 > 기준이라 출력 Low, 10.5V 아래로 내려가면 감시 전압 < 기준이 되어 출력이 High가 됩니다.
- LED: 출력에서 1kΩ과 LED를 거쳐 접지로 연결하면 저전압일 때 켜집니다(전류는 약
(12 − 1.5 − 2) ÷ 1k ≈ 8mA).
출력이 떨리는 이유와 히스테리시스
감시 전압이 기준 전압 근처에서 천천히 변하면 노이즈 때문에 출력이 High와 Low 사이를 빠르게 오갑니다(채터링). LED가 깜빡이거나 릴레이가 덜덜거리는 현상입니다. 해결책이 히스테리시스입니다. 출력을 IN+에 저항으로 되먹임(양의 피드백)해, 켜질 때와 꺼질 때의 문턱을 일부러 다르게 만듭니다.
구성은 다음과 같습니다. 기준 전압을 Ra(+V 쪽)와 Rb(접지 쪽) 분압으로 만들어 IN+에 넣고, 출력에서 IN+까지 피드백 저항 Rf를 연결합니다.
히스테리시스 폭 ΔV ≈ (출력 High − 출력 Low) × (Ra ∥ Rb) / (Rf + Ra ∥ Rb)
Ra = Rb = 10kΩ(병렬 5kΩ), Rf = 470kΩ이고 출력이 약 0V와 3.5V 사이를 오갈 때 ΔV ≈ 3.5 × 5k / 475k ≈ 37mV입니다. Rf를 줄이면 폭이 넓어집니다. 필요한 폭은 감시하는 신호의 노이즈 크기보다 크게 잡으세요.
LM358을 비교기로 쓸 때의 한계
- 속도가 느립니다. 연산증폭기 출력은 비교기만큼 빠르게 변하지 않아 고속 신호에는 맞지 않습니다. 느리게 변하는 전압을 감시하는 용도에 쓰세요.
- 출력 High가 전원까지 오르지 않습니다. 5V 로직에 직접 연결할 때 High 레벨이 TTL 기준을 넘는지 확인하세요.
- 전용 비교기(LM393 등)는 출력이 오픈 컬렉터라서 풀업 저항이 필요하지만 속도가 빠르고 전원 레벨로 직접 맞출 수 있습니다. 진짜 비교기가 필요하면 이것을 쓰세요.
- 쓰지 않는 증폭기는 반전 입력을 출력과 연결하고(버퍼 구성), 비반전 입력을 전원 중간 전압이나 접지에 묶어 두세요. 입력을 떠 있게 두면 발진해 전체 전류를 늘릴 수 있습니다.
- 전원 핀 옆에 100nF을 답니다(전원 레일과 접지 설계).
패턴도에서 확인하기
패턴도에는 LM358과 LM324 모델이 있고, 개방 루프 이득과 출력 전압 한계(High·Low 여유)를 반영한 증폭기로 시뮬레이션합니다. 기준 전압과 감시 전압을 분압으로 만들고 입력 전압을 바꿔 가며 출력이 뒤집히는 지점을 확인해 보세요. 모델은 이상적인 소자에 가까우므로 실제 부품의 속도와 노이즈 특성은 반영되지 않습니다.
정리
연산증폭기를 피드백 없이 쓰면 비교기가 되고, 한쪽에 기준 전압을 다른 쪽에 감시 전압을 넣습니다. 기준점 근처의 떨림은 양의 피드백으로 히스테리시스를 주어 막고, 속도가 중요하면 LM393 같은 전용 비교기를 선택하세요. 문제가 생겼을 때의 점검 순서는 완성했는데 동작하지 않을 때: 단계별 점검표에서 볼 수 있습니다.