전자회로 해석 및 설계 - RLC (마무리), Diode 응용회로(1)

어제 내용 복습 

MLCC는 비싸다 → 고부가가치 부품 대표적인 기업: 삼성전기 

100Hz 보다 낮은 주파수를 사용하는 회로: 오디오회로에는 MLCC를 쓰지 않는다. 

아날로그 회로가 어려운 이유: 정답이 없다. 경험이 중요. 

공학에서는 가격을 따져야 한다. 

RTD: 백금으로 만들어진 저항인데 온도 센서로 주로 쓴다. 

 

 

 

Source 단자에 달려있는 저항과 load 단자에 달려있는저항의 비로 증폭값을 구한다. 분모에 R_s가 있으면 증폭도가 작아져서 분모에 R_s를 뺀다. 이런 용도로 사용하는 것도 우회 capacitor (bypass capacitor)라고 한다. 

 

비즈: DC한테는 낮은 저항으로 보임. 주파수가 높아질 수록 inductor의 저항성분이 커진다 → 상대적으로 큰 저항으로 보인다 → 고주파 noise 잘 통과시키지 않음. 

비즈의 임피던스를 이야기할때 100MHz가 기준. 비즈를 선택할때는 impedance값을 정확하게 찾는것이 아닌 rated current (정격전류)를 먼저 만족시켜야하고 그 다음이 impedance. 

비즈와 inductor의 차이: inductor는 공진주파수 때문에 peak가 튈 수 있음. 비즈는 내부에 저항이 있어 값이 튀지 않음.                                                                                                                                           

 

전원비즈: 완만한 그래프 

시그널 비즈 : 상대적으로 뾰족 

 

RLC 마무리

• Decoupling cap은 최재한 IC의 전원공급 단자에 가깝게 달린다. 
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PCB 회로를 다루는 엔지니어들이 하는 일 

• IC 주변 회로를 꾸미는 것
• 어떤 IC던지 외부에서 전압과 ground를 연결
• 수백수천만개의 Transistor가 안에 있음 
• RLC는 IC에 넣기 힘듦. IC 안에 넣을 수 있는 저항 값의 한계

동그라미 주변에 있는 네모 아이오패드. 내부 회로를 외부와 연결해줌. IC를 pcb에 장착하기 위한 껍데기를 씌우는 기술: packaging 

RLC 의 값이 조금만 커져도 공간을 많이 차지하게 됨. 

ESL 값은 C 값에 의해 결정됨. 따라서 낮은 주파수쪽 공진주파수는 큰용량 cap (저주파 decoupling), 높은 주파수쪽 공진주파수는 작은용량 cap (고주파 decoupling). 

 

 

같은용량인데 자리를 더 많이 차지하는 1uF 10개를 다는 이유?

• 공진주파수 값이 올라간다. 
• 같은 종류의 cap: ESR, ESL 거의 비슷하다. 
• 병렬 10개를 달면C 값은 동일한데 ESR, ESL이 줄어든다. 
• 아래 그림: 2C, 0.5R, 0.5L → 저항, inductor는 병렬일때 값이 줄어듦. 

 

• Pull -down 저항: 0v 와 연결시켜야 하는데 다이렉트로 gnd와 연결할 때 쓰는 저항 
• Pull- up 저항: 전압에 연결하기 위해 쓰는 저항.

 

필터회로의 역할: 내가 원하는 신호는 잘 통과시키고 noise는 안통과. 출력신호에 noise가 많이 섞여 있음. 

 

 

Bypass Capacitor: 거북이한테는 cap이 open처럼 보인다. 토끼한테는 cap이 작은 저항처럼 보여 잘 통과하게 됨. 조심해서 사용해야함.  펄스신호의 주파수가 낮을때는 쓸 수 있음. Cap에 작은용량값이 들어가야됨. 요즘은 높은 주파수의 신호를 써서 사용하기 힘듦. Noise를 잡으려다 신호를 잡아버림. 

Transistor는 회로에서 스위치 역할을 할 수 있음.  

Diode 응용회로 

 

• 전기가 잘 통하는 물질: 도체, 잘 통하지 않는 물질: 부도체, 유전체 

 

• 전공이 많은 반도체: p-type 
• 전자가 많은 반도체 : n-type 

 

P-type 반도체와 n-type 반도체를 붙여놓으면 pn접합 다이오드

P-type 전공이 +를 띄고 있어서 원자핵은 -를 띈다. 

N-type 전자가 더 있어서 원자핵이 +를 띈다.

 

확산 (diffusion): 저절로 입자가 움직여나가는 현상. 농도가 높은곳에서 농도가 낮은곳으로. 

왼쪽에 있는 전공들이 오른쪽으로 확산. 오른쪽에 있는 전자들이 왼쪽으로 확산. 접합면을 기준으로 전자와 전공이 만나면 둘다 사라진다. (recombination, 재결합) 가운데에 공핍층이 형성됨. 어느정도 확산이 일어나면 전자들이 움직이지 않음. 평형상태. 기본적으로 평형상태로 유지됨.  전위장벽으로 못넘어가는 전공을 벽을 뛰어넘게 해주면 전류가 흐름. 장벽을 낮춰주면 넘어갈 수 있음. 0.7V 정도 낮춰주면 됨. Anode단자의 전압을 cathode 단자의 전압보다 0.7V 만큼 높이면 됨. 전류의 방향은 Anode에서 cathode로 흐른다. Diode가 on된다. 순방향 동작을 하도록 전압을 걸어 치우치게 만드는것 → 순방향 Bias. 

 

열전압 V_T = kT/q = 25mV

Pspice 기본 온도 27*C 

포인트: exponential인 이유: 확산되기 때문  

다이오드는 스위치처럼 봄. 전류가 흐르기 시작하는 포인트부터 diode가 on 된다 

V_F (Forward) = 0.7V

 

반대로 Diode를 off 시키는법 

• 전위장벽을 높이면 전류가 흐르지 못한다. Reverse Bias
• 역방향으로 전압을 너무 크게 걸면 diode가 망가진다. 역방향 breakdown. V_R = 역방향 항복전압. 대략 100V

• 스위칭 : on/off 반복. 가장 기본적인 diode 특성.
• 클리핑 : 리미터 회로. 신호의 모양을 성형. 

• 클램핑 : 고정시킨다. 신호가 튀어오를때 어느정도 이상 못튀게 다이오드로 잡아두는것. Noise, ESD (정전기) 등을 막는 용도. 

• DC 직류 시간에 따라 값이 일정
• AC (Alternating Current) 교류 시간에 따라 값이 규칙적으로 변함. (sine 파형, 삼각 파형, pulse파형 등) 연속 신호의 평균 = 0. 
• 교류파형에서 평균값을 구하려면 극성을 한쪽으로 몰아야함 (정류). 
• Diode를 사용해 정류 회로를 만듦. 
• 맥류 (맥박할때 맥) : unipolar wave
• 반파정류 half wave rectifier (실제로는 잘 안씀) 
• 전파정류 full wave rectifier 

 

전파 정류 

• 정류용 Diode는 흐르는 전류가 꽤 크다. 
• 역방향 항복전압에 따라서 이름이 결정됨. 

쇼트키 배리어 다이오드 (SBD Schottky Barrier Diode)

• 순방향 도통전압을 작게 만듦 (0.2V~0.5V) 
• 전압이 걸렸는데 전류가 흐른다 → 파워소모가 생김. 
• 파워소모를 적게 먹는 저전력 회로를 만들기위해 사용 

 

• 위 제너 아래 쇼트키 

 

제너 다이오드 (Zener Diode) 

• 다이오드 종류들 중에서 유일하게 일부러 breakdown을 일으켜 사용
• 역방향  V_Z: 제너 브레이크다운 전압 , I_Z: 제너 브레이크다운 전류
• 적절하게 breakdown을 일으켜야한다. 역방향 큰전류 → 망가짐
• 앞단의 회로가 전압원처럼 보인다. 전원회로, Power circuit.  V_Z 라는 일정한 전압을 생성. 
• 제너 다이오드의 브레이크다운 특성을 이용한 전원회로
• 전압 조절기 (Voltage Regulator): 제너 다이오드는 전압 조절기 역할을 할 수 있음. 특정 전압을 유지하면서 전류가 흐르게 하여 회로에 일정한 전압을 공급. 이는 배터리나 다른 전원 공급 장치의 변동을 보상하여 안정적인 전압을 제공하는 데 유용.
• 내가 신뢰할 수 있는 일정한 전압 : 기준전압 (Reference Voltage)

 

 

 

바렉터 다이오드 

• RF 신호 
• Pn 접합에서 기생적인 c 값 존재 → 꼭 기억. Switch 특성에도 연관이 있음 
• 역방향 전압을 걸어주면 n-type에 있는 전자들이 +로, 공진들이 -로 이끌림
• 공핍층이 늘어난다 = 판과 판사이의 폭이 늘어난다. C 값 감소. 
• 역방향 전압의 크기를 조절해서 c 값을 크거나 작게 (가변 capacitor처럼) 만들 수 있음.

LED (Light Emitting Diode) 

• 순방향으로 전류가 흐르는 동작을 할때 빛이 나오는 다이오드
•  1.5V ~ 3V 순방향 도통전압 (가장큼), 역방향 항복전압 가장작음
• LED에서 내는 빛의 색에 따라 순방향 도통전압의 크기가 다르다. 
• 얼마만큼 밝기의 빛을 내느냐가 중요 (일정한 밝기)  
• 모니터에서 백라이트의 역할을함. BLU (Backlight Unit)
• 밝기는 전류가 결정한다. 내가 원하는 전류조절을 위해 저항값을 적절하게 설계 → LED 스위칭 회로 설계. 
• LED 흐르는 전류 수~수십 mA

 

LED 스위칭 회로설계

 3개의 LED를  on 시키는 회로 

 

3개의 병렬 LED 

문제점: IC의 출력단에서 내어주는 전류가 1개여서 LED가 희미하게 밝아질 수 있다. 해결방법?

• 다른 전원을 사용