Amp 영역과 switch 영역의 동작

amp와 switch를 같이 떠올려본다면, 연관이 없어 보일지 모른다. 그러나 두 동작 모두 FET, 이나 BJT로 구현이 가능하며, 단순히 주변 소자의 유무에 따라 다르게 동작시킬 수 있다.

어떻게 증폭과 온오프 기능을 같은 소자로 동작시킬 수 있는지 궁금했다. 따라서 다음과 같은 시뮬레이션을 해 보기로 하였다.

transistor 비교기 회로

비교기에서, in측 전압 값을 체크하여 특정 전압 이상이면 Low, 높으면 High를 표기할 수 있는 비교기이다. 이 경우, 3.2V를 기준으로 할 수 있도록 설계했는데, in측 저항을 수정하면 전압 레벨을 변경할 수 있다. 기준 전압 식은 bjt 작동 전압이 0.7V임을 가정한 하에 다음을 따른다.

R2 / (R1 + R2) * (BJT 작동 전압) = (전압 레벨)

다음 그래프를 보면 in측 전압이 약 3.2V 이상으로 오를 때 5V, high 상태로 천이하는 것을 확인해 볼 수 있다.

FET, BJT를 이용한 RESET

이전 실험을 참고하여 전자회로에 필수적인 RESET 신호 생성기를 디자인해 볼 수 있다. RESET신호는 하드웨어와 소프트웨어를 가리지 않고 어떤 방식의 전자회로든 필수적이다.

5V의 신호가 계속 전달된다고 가정할 경우, FET와 BJT의 출력을 살펴보면 다음 그래프와 같다.

고찰

주목해야 할 것은 바로 각 RESET 이후의 그래프의 회복 과정이다. FET는 아주 빠르게 회복하는 반면, BJT는 서서히 회복하는 것처럼 보인다. 이는 비교적 덜 정밀한 전자회로에서는 FET 대신 BJT가 사용 가능하다는 점을 시사한다.

Open Collector Simulation

첫번째, 두번째 시뮬레이션을 참조한다면 우리는 Low와 High의 문턱 전압을 정할 수 있을 뿐만 아니라, RESET 신호와 같이 신호를 죽였다가 다시 정상으로 돌릴 수 있음을 알 수 있다. 마지막으로, 실제 쓰는 전압이 여러 가지인 전자 회로에서 이러한 전압을 어떻게 공급할 수 있는지 알아보자.

주어진 펄스 신호를 증폭하거나 감쇠하는 방식을 사용하여야 한다. 증폭기의 gain을 조절하기 위해 증폭기의 Pullup 저항, 즉 VCC에 직접 연결되어 있는 저항을 조정하면 gain이 변한다.

PULLUP , PULLDOWN 저항

transistor를 이용한 멀티 진동기

커패시터 C1, C2를 주목해 보자. 초기 조건을 살펴보면, Q2 BJT가 활성화되므로 C2가 ON된다. 따라서 C2가 차징되며, C1은 방전된다. 다음 순간에 이 조건이 다시 반전되므로 번갈아가면서 차징과 방전을 계속 반복하게 된다.

transistor를 이용한 정현파 발진회로

이전 시뮬레이션과 비슷하게 초기 조건을 통해 정현파를 생성하는 발진회로이다. 이 회로에서는 자세히 살펴보면 양의 feedback을 하는 것을 찾아볼 수 있다. 또한 커패시터와 저항이 RC회로를 구성하며 시정수에 따라 주파수를 변경할 수 있음을 찾아볼 수 있다.

정현파 생성기(oscillator)

정현파 생성기의 일종인 콜피츠 발진회로를 시험해보기로 하였다.

bjt로 생성

BJT를 이용하여 정현파를 생성(oscillator)하는 시뮬레이션이다.

fet로 생성

이번엔 FET 소자를 이용하여 정현파를 생성하였다.

각 시뮬레이션의 파형이다.

고찰

FET를 이용한 회로가 BJT를 이용하여 생성한 회로보다 훨씬 깔끔하고 간단하다. 또한 그래프를 주목해보면 알 수 있는 결과로서, 10ms가 경과한 시점에서 부터 측정했다는 사실을 알 수 있는데, oscillator가 충분한 시간이 흘러야 안정화되기 때문임을 알 수 있다. 또한 이 회로는 LC 공진회로를 이용하는데, LC 공진회로는 마치 AC와 같이 동작한다. 이 경우, 우리는 정현파를 얻을 수 있다. 또한 주파수는 다음과 같은 식에 따른다.

즉 LC 공진회로의 인덕터와 커패시터의 용량이 발진주파수를 결정한다.