필터와 비교기

opamp의 사용처의 다양성에 대해서 이야기하는 것은 끝도 없다. 가장 대표적 사용처인 오디오에서 예를 들어 보자면, 소리의 증폭, 노이즈의 감쇠, 저주파와 고주파 분리 등 다양한 역할을 수행한다.

필터

필터란, 말 그대로 신호의 노이즈를 없애거나 저주파를 차단하여 고주파만 남기는 high-pass filter, 고주파를 차단하여 저주파만을 남기는 low-pass filter, 두 가지를 합쳐 특정 주파수 대역만 남기는 band-pass filter가 있다.

들어가기 앞서

필터를 시뮬레이션하기 앞서, 필터가 어떻게 동작하는지 알아보자. 우선, 커패시터의 특성에 대해 알아보자. 커패시터는 전류가 마구 변화해야 통과시킨다. 즉, 교류는 통과시키고 직류는 차단한다. 이 원리는 다음과 같다.

커패시터의 구조는 두 도체가 사이의 부도체를 끼고 붙어있는 구조이다. 즉, 전자가 직접적으로 통과가 불가능하므로 커패시터에는 전류가 무조건 통과하지 못하는데, 대신 한쪽 면에 전자가 충전되면, 반대쪽 판에서는 전자가 탈출한다. 이 과정이 종료되면 전하의 이동은 없다. 따라서 우리가 커패시터 양단에서 이를 살펴본다면 한쪽에 전하가 들어가고, 한쪽으로는 전하가 나온다. 즉 커패시터가 완충할때까지는 전류가 흐르는 것처럼 보이는 것이다. 그러다가 완충 시 전하의 이동이 멈추고 우리는 이것을 전류가 흐르지 않는 것처럼 볼 수 있다.

하지만, 만약 교류가 커패시터에 공급되고 있다고 생각해보자. 이 경우, 커패시터의 양단에 전하가 자꾸 충전됬다 방전됬다를 반복할 것이다. 이 효과는 커패시터의 반대편에도 적용되므로, 계속해서 교류가 흐르는 것처럼 보인다.

따라서 두 정리에 의해, 교류는 커패시터를 통과하고 직류는 차단되는 것이다.

high-pass filter / low-pass filter

왼쪽의 회로는 HPF, 오른쪽이 LPF이다. 주목해야 할 것은 회로의 순서이다. HPF는 C-R-C-R의 순서, LPF는 그 반대이다. 커패시터와 저항 배열의 순서가 어떤 형태의 필터로 작용할 지 결정하게 되는 것이다. 다음 그래프를 보자.

예상한 결과와 같이 나왔다. 또한 이 두 필터를 서로 조합하여 원하는 주파수 대역만 통과할 수 있도록 만든 필터가 바로 band-pass filter, BPF이다.

band-pass filter

뭔가 이전 시뮬레이션과 차이점을 찾기 힘들다. 우리가 주목해야 할 것은 바로 단순히 두가지 회로를 이어버린 것이다. 그렇다면 반대로 이어버리면 어떨까? 그것은 레퍼런스의 여부에 따라서 결정할 수 있다. 필터의 레퍼런스를 인가할 때, 우리가 레퍼런스를 커패시터에 준다면 통과하지 못하기 때문에 HPF에만 줄 수 있다. 물론 LPF에 인가하는 것도 방법이지만, 꽤나 복잡하고 어렵다.

따라서 레퍼런스가 인가된 HPF를 통과한 신호가, LPF를 한번 더 통과하여 제거해야 하는 부분을 모두 제거하면, 다음과 같은 결과를 얻는다.

비교기

비교기, 말 그대로 어떤 기준을 두고 신호를 비교하는 것이다. 신호를 일정 수준에 놓고 비교하여 높으면 high, 낮으면 low 판정을 해 주는 회로를 비교기 회로라고 부른다. high와 low는 amp에 인가되는 VCC와 VDD를 가지고 정해지며, 레퍼런스보다 높으면 high, 낮으면 low로 판정한다. 이 원리를 통해 정현파를 구형파로 변환 가능하며, 레퍼런스를 조절하여 vpulse파의 듀티비를 조정 가능하게 하기도 한다.

NCS2202(onsemi사)를 이용한 비교기

다음은 비교기를 가지고 정현파를 구형파로 바꾼 시뮬레이션이다. 인가된 레퍼런스와 주어진 정현파의 주파수를 조절하면 어떤 구형파든 쉽게 만들어낼 수 있음을 알 수 있다.

LDO

이러한 비교기는 LDO라는 전압 생성기에서 유효하다. 일반적으로, 5V 전원이 널리 쓰이는데 전자회로는 다양한 전압(1.5V, 3.3V, 12V 등)을 요구한다. 따라서 작은 전압 영역에서 비교적 정밀한 전압 컨트롤이 가능하도록 해 주는 전자회로가 바로 LDO이다. 제너 다이오드와 BJT를 이용하며
끝단부의 전류 생성원을 통제하여 출력 전압을 조절 가능하며, R2 : R1의 비를 통해 출력되는 전압비를 바꿀 수도 있다. 다음 시뮬레이션을 보자.

• 전류에 따른 출력 전압

• R2의 변화에 따른 출력 전압