다이오드 클리퍼 & 클램퍼 회로
1번 글에서 다양한 클리퍼 회로의 출력을 공부했고 2번 에서 클램퍼 회로와 출력을 알아보자.
[다이오드] 다이오드 클리퍼&클램퍼 회로 - 1
이번에도 회로에 대해 공부하는 것에서 모든 다이오드는 이상적인 다이오드로 가정한다.
클램퍼 회로
클램퍼 회로는 입력신호의 모양은 바꾸지 않고 입력신호의 크기를 + 또는 - 방향으로 평행이동시키는 회로이다.
클램퍼 회로는 축전기, 다이오드, 저항으로 구성되어 있다. 축전기는 입력신호와 직렬로 연결되고 다이오드와 저항은 병렬로 연결되어 있다.
다이오드의 방향과 직류전원의 방향에 따라 다양한 형태의 클램핑이 가능하다.
직류전원이 없는 클램퍼 회로가 주어져 있다.
클리퍼 회로에서는 입력신호로 sin파를 고려했는데, 클램퍼 회로에서는 펄스신호를 사용하여 그 작용을 살펴보자.
먼저 위쪽 그림을 보면 시간이 0에서 t1 사이에 Vp 신호가 걸린다. 이때 다이오드는 on 상태가 되고, (이상적인) 다이오드의 저항은 0 이므로 축전기와 다이오드 저항이 만드는 RC회로의 시정수(time constant)는 0이다.
* RC회로 : 저항 - 축전기 회로
* 시정수(time constant) : 어떤 회로가 외부 입력에 얼마나 빠르게/느리게 반응할 수 있는지를 나타내는 지표
축전기는 순간적으로(아주 빠르게) 전압 Vp까지 충전된다(왼쪽이 +, 오른쪽이 - 로 충전). 여기서 다이오드가 on 상태이므로 저항쪽으로는 전류가 흐르지 않는다.
즉 V_R = 0이고 그러니까 출력도 0 이 된다.
시간 t1에서 t2 사이에서는 입력이 -Vp 이어서 다이오드가 off 상태이므로 저항쪽으로 전류가 흐르게 된다. 이때 저항에 떨어지는 전압은 Kirchoff 법칙을 적용하여 알아볼 수 있다.
따라서 출력은 -2Vp가 된다. 이후 t3, t4에서도 앞과 동일하게 입력과 출력이 진행된다.
이 회로에서 축전기와 저항이 만드는 RC회로의 시정수가 입력신호의 주기보다 훨씬 커야 된다. 그래야 입력이 -Vp 일때 완전히 방전이 되지 않게 한다.
아래 그림을 보면 다이오드의 방향이 반대로 연결되어 있다. 이렇게 반대로 되어있는 경우에는 입력이 -Vp 일때 다이오드가 on 상태가 되어 축전기가 충전이 되고 저항쪽으로는 전류가 흐르지 않으니 출력은 0 이 된다.
그리고 입력이 Vp 일때 다이오드가 off 상태가 되고, 저항에 떨어지는 전압은 역시 Kirchoff 법칙을 적용해서 알아볼 수 있다.
따라서 출력은 2Vp가 된다.
이 회로는 직류전원이 연결되어 있는 클램퍼 회로이다. 축전기는 입력신호와 직렬로 연결되고 다이오드와 저항, 직류전원이 병렬로 연결되어 있다.
다이오드의 방향이 위쪽 방향일 때 직류전원의 방향이 위쪽 / 아래쪽인 경우를 각각 공부해보자.
먼저 위쪽 그림에서는 다이오드, 직류전원 모두 위쪽 방향인 경우이다. 여기서 다이오드가 on 상태가 되어 축전기를 충전하는 조건은 (입력신호 + 직류전원) < 0 이다.
(입력신호 v_i는 시간에 따라 Vp 또는 -Vp 이다.)
즉 입력신호 v_i가 -Vp인 시간에 다이오드가 on 상태가 된다. 다이오드가 on인 경우 출력은 -V_B 이다.
그리고 조건이 만족하는 사이에 축전기는 V_C = Vp - V_B 까지 충전된다.
반대로 v_i > -V_B 인 경우 다이오드는 off 상태가 된다. 즉, v_i = Vp 인 시간에 다이오드 off 상태가 된다. 이에 따라 저항에 전류가 흐르고 저항에 떨어지는 전압은 Kirchoff 법칙에 따라 아래와 같다.
여기서 출력의 전체적인 신호의 높이는 2Vp 로써 입력의 신호높이와 같음을 확인할 수 있다.
신호의 모양은 바뀌지 않았고 위로 Vp - V_B 만큼 이동하였음을 보여준다.
아래쪽 그림은 똑같은 회로에서 직류전원의 방향이 반대로 연결되어 있는 경우이다.
여기서 다이오드가 on 이 되어 축전기를 충전하는 조건은 (입력신호 - 직류전원) < 0 이다.
(입력신호 v_i는 시간에 따라 Vp 또는 -Vp 이다.)
즉 입력신호 v_i = -Vp 인 경우 다이오드가 on 상태가 된다. 다이오드가 on인 경우 출력은 V_B이다.
그리고 조건이 만족하는 사이에 축전기는 V_C = Vp + V_B 까지 충전된다. (오른쪽이 +, 왼쪽이 -로 충전됨)
반대로 v_i > V_B 인 경우 다이오드는 off 상태가 된다. 즉 v_i = Vp 인 경우 다이오드 off 상태가 된다. 이에 따라 저항에 전류가 흐르고 저항에 떨어지는 전압은 Kirchoff 법칙에 따라서 아래와 같다.
여기서 출력의 전체적인 신호의 높이는 2Vp로써 입력의 신호높이와 같음을 확인할 수 있다.
신호의 모양은 바뀌지 않았고 위로 Vp + V_B 만큼 이동하였음을 보여준다.
이번에는 위의 클램퍼 회로와 동일하게 축전기, 다이오드, 직류전원, 저항이 연결되어 있는데 다이오드의 방향이 아래쪽인 경우를 공부해보자. (직류전원도 아래쪽)
먼저 위쪽 그림에서 다이오드가 on이 되어 축전기를 충전하는 조건은 (입력신호 - 직류전원) > 0 이다.
(입력신호 v_i는 시간에 따라 Vp 또는 -Vp 이다.)
즉 입력신호 v_i = Vp 인 경우 다이오드가 on 상태가 된다. 다이오드가 on인 경우 출력은 V_B이다.
그리고 조건이 만족하는 사이에 축전기는 V_C = Vp - V_B 까지 충전된다. (왼쪽이 +, 오른쪽이 -로 충전됨)
반대로 v_i < V_B 인 경우 다이오드는 off 상태가 된다. 즉 v_i = -Vp 인 경우 다이오드 off 상태가 된다. 이에 따라 저항에 전류가 흐르고 저항에 떨어지는 전압은 Kirchoff 법칙에 따라서 아래와 같다.
여기서 위에 다이오드가 위쪽 방향으로 연결되어있을 때와 축전기의 충전 방향이 반대임을 유의해야 한다.
출력의 전체적인 신호의 높이는 2Vp로써 입력의 신호 높이와 같음을 확인할 수 있다. 신호의 모양은 바뀌지 않았고 아래로 Vp - V_B만큼 이동하였음을 보여준다.
아래쪽 그림은 다이오드가 아래쪽, 직류전원은 위쪽 방향인 경우의 회로이다.
여기서 다이오드가 on이 되어 축전기를 충전하는 조건은 (입력신호 + 직류전원) > 0 이다.
(입력신호 v_i는 시간에 따라 Vp 또는 -Vp 이다.)
즉 입력신호 v_i = Vp 인 경우 다이오드가 on 상태가 된다. 다이오드가 on인 경우 출력은 -V_B 이다.
그리고 조건을 만족하는 사이에 축전기는 V_C = Vp + V_B 까지 충전된다. (왼쪽이 +, 오른쪽이 -로 충전됨)
반대로 v_i < -V_B 인 경우 다이오드는 off 상태가 된다. 즉 v_i = -Vp 인 경우 다이오드 off 상태가 된다. 이에 따라 저항에 전류가 흐르고 저항에 떨어지는 전압은 Kirchoff 법칙에 따라서 아래와 같다.
다이오드가 위쪽 방향으로 연결되어있을 때와 축전기의 충전 방향이 반대임을 유의해야 한다.
출력의 전체적인 신호의 높이는 2Vp 로써 입력의 신호 높이와 같음을 확인할 수 있다. 신호의 모양은 바뀌지 않았고 아래로 Vp + V_B 만큼 이동하였음을 보여준다.
뭔가 클리퍼보다 클램퍼 회로가 이해가 더 잘되는 기분...
'과학도를 위한 반도체와 전자회로의 기초' 책을 공부하여 작성 하였습니다.
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