- 74 - 제 3 장 아날로그 신호의 발생 측정하고자 하는 신호가 신호원에서 직접 발생하는 경우도 있지만(예: 저항에 의한 열잡음), 많은 경우에는 측정 장치에서 신호원에 특정한 신호를 가해준 뒤 그 반응을 측정합니다. 대표적인 예가 물체의 전기저항을 측정하기 위해서 전압(또는 전류)을 가한 뒤 흐르는 전류 (또는 물체 양단의 전압강하)를 측정하는 I-V 측정의 경우입니다. 이처럼 측정을 위해서 가해주는 신호가 일정 전압(또는 전류)인 경우도 있지만, 교류 저항(임피던스)의 측정에서와 같이 일정 주파수의 정현파 신호일 수도 있고 또, 펄스 핵자기공명(nuclear magnetic resonance, NMR) 실험에서와 같이 일정한 주파수의 짧은 고주파 펄스(rf pulse)인 경우도 있습니다. 정보를 멀리 전달하기 위하는 등의 목적으로 전자기파를 발생시키기 위해서는 주기적인 전압(전류)신호를 필요로 하고, 주기적인 전압을 변조시킨 신호를 검출하기 위한 목적으로도 주기적으로 변하는 신호가 필요합니다. 이처럼 주기적으로 변하는 아날로그 신호는 물리학 측정에서 자주 사용되므로, 어떻게 그 같은 신호를 발생시킬 수 있는지와 발생된 신호의 특성은 어떤지를 알고, 아날로그 신호를 발생시키는 전자회로를 이해하는 것은 중요합니다. 일반적으로 직류가 아닌(직류발생기는 전원이라고 부릅니다.) 시간에 따라서 변하는 (전압) 신호를 발생하는 장치 또는 회로를 신호발생기(signal generator)라고 부릅니다. 이중에서 ON/OFF 상태만을 이용하는 디지털 신호발생기와는 달리 시간에 따라서 연속적으로 변하는 전압신호를 발생하는 아날로그 신호발생기를 살펴봅니다. 신호발생기는 발생하는 신호의 주파수에 따라서 저주파 신호발생기(low frequency signal generator) f < 20Hz 오디오 신호발생기(audio frequency signal generator) f = 16Hz ~ 10kHz rf 신호발생기(radio frequency signal generator) f = 10kHz ~ 1GHz 마이크로웨이브 신호발생기(microwave signal generator) f = 1GHz ~ 100GHz 테라헤르츠 신호발생기(terahertz signal generator) f > 0.1THz 로 구분할 수 있으며, 발생하는 신호의 파형에 따라서는 주파수발생기(frequency generator) - 한 가지 주파수의 신호를 발생 휩씀 신호발생기(sweep signal generator) - 신호의 주파수를 휩쓸며 발생 간헐 신호발생기(tone burst signal generator) - 교류 펄스 신호를 발생 함수발생기(function generator) - 정현파, 삼각파, 사각파 등 여러 가지 파형의 신호를 발생 임의파형 발생기(arbitrary waveform generator) - 임의 형태의 파형을 발생 등이 있으며, 주기적인 신호의 발생방법에 따라서는 정현파 신호를 발생시키는 선형 발진기 (linear oscillator 또는 harmonic oscillator)방법과 삼각파 또는 톱날파 신호를 발생하는 비선형 발진기(nonlinear oscillator 또는 relaxation oscillator)가 있습니다.
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제 3 장 아날로그 신호의 발생
측정하고자 하는 신호가 신호원에서 직접 발생하는 경우도 있지만(예: 저항에 의한 열잡음),
많은 경우에는 측정 장치에서 신호원에 특정한 신호를 가해준 뒤 그 반응을 측정합니다.
대표적인 예가 물체의 전기저항을 측정하기 위해서 전압(또는 전류)을 가한 뒤 흐르는 전류
(또는 물체 양단의 전압강하)를 측정하는 I-V 측정의 경우입니다. 이처럼 측정을 위해서
가해주는 신호가 일정 전압(또는 전류)인 경우도 있지만, 교류 저항(임피던스)의 측정에서와
같이 일정 주파수의 정현파 신호일 수도 있고 또, 펄스 핵자기공명(nuclear magnetic
resonance, NMR) 실험에서와 같이 일정한 주파수의 짧은 고주파 펄스(rf pulse)인 경우도
있습니다. 정보를 멀리 전달하기 위하는 등의 목적으로 전자기파를 발생시키기 위해서는
주기적인 전압(전류)신호를 필요로 하고, 주기적인 전압을 변조시킨 신호를 검출하기 위한
목적으로도 주기적으로 변하는 신호가 필요합니다.
이처럼 주기적으로 변하는 아날로그 신호는 물리학 측정에서 자주 사용되므로, 어떻게 그
같은 신호를 발생시킬 수 있는지와 발생된 신호의 특성은 어떤지를 알고, 아날로그 신호를
발생시키는 전자회로를 이해하는 것은 중요합니다.
일반적으로 직류가 아닌(직류발생기는 전원이라고 부릅니다.) 시간에 따라서 변하는 (전압)
신호를 발생하는 장치 또는 회로를 신호발생기(signal generator)라고 부릅니다. 이중에서
ON/OFF 상태만을 이용하는 디지털 신호발생기와는 달리 시간에 따라서 연속적으로 변하는
전압신호를 발생하는 아날로그 신호발생기를 살펴봅니다.
신호발생기는 발생하는 신호의 주파수에 따라서
저주파 신호발생기(low frequency signal generator) f < 20Hz
오디오 신호발생기(audio frequency signal generator) f = 16Hz ~ 10kHz
rf 신호발생기(radio frequency signal generator) f = 10kHz ~ 1GHz
마이크로웨이브 신호발생기(microwave signal generator) f = 1GHz ~ 100GHz
테라헤르츠 신호발생기(terahertz signal generator) f > 0.1THz
로 구분할 수 있으며, 발생하는 신호의 파형에 따라서는
주파수발생기(frequency generator) - 한 가지 주파수의 신호를 발생
휩씀 신호발생기(sweep signal generator) - 신호의 주파수를 휩쓸며 발생
간헐 신호발생기(tone burst signal generator) - 교류 펄스 신호를 발생
함수발생기(function generator) - 정현파, 삼각파, 사각파 등 여러 가지 파형의
신호를 발생
임의파형 발생기(arbitrary waveform generator) - 임의 형태의 파형을 발생
등이 있으며, 주기적인 신호의 발생방법에 따라서는 정현파 신호를 발생시키는 선형 발진기
(linear oscillator 또는 harmonic oscillator)방법과 삼각파 또는 톱날파 신호를 발생하는
비선형 발진기(nonlinear oscillator 또는 relaxation oscillator)가 있습니다.
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1) 선형 발진기(linear oscillator, harmonic oscillator)
정현파를 발생시키는 선형 발진기에는 바로 되먹임(positive feedback)을 한 증폭기회로와
전류-전압의 음저항(negative resistance)특성을 이용하는 방법이 쓰이고 있습니다.
(1) 되먹임 발진기(feedback oscillator)
증폭기 출력의 일부를 입력 측으로 되돌려줄 때 입력신호와 같은 위상이 되도록 위상차를
조절해주면(바로 되먹임, positive feedback) 신호가 계속 증폭되는 효과가 있습니다.
이때 출력전압이 일정한 크기의 정현파신호가 되기 즉, 증폭기회로에서 발진(oscillation)이
일어나기 위해서는 되먹임 신호의 위상조건과 함께 증폭기의 열린회로 전압증폭율
≡│
│
과 되먹임회로의 되먹임율
≡│
│
의 곱인 닫힌회로 전압증폭율(closed loop voltage gain)
이 되어야 합니다.
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(되먹임 증폭기에서 발진이 일어나기 위한 조건)
그 이유는 아래 그림과 같이 증폭기회로의 전원스위치를 ON 시켰을 때 발생하는 전압요동
등에 따른 작은 입력신호가 증폭되어(닫힌회로 증폭율 ) 점차로 커지면서 증폭기의
열린회로 전압증폭율이 줄어들어서 닫힌회로 전압증폭율이 이 되면 더 이상 변화가
없이 일정한 크기의 신호를 유지하기 때문입니다.
되먹임회로에 특정 주파수를 선택하는 여과기를 넣으면 발진이 특정 주파수의 신호로 일어
나게 됩니다. 여과기 회로의 종류에 따라서 RC, LC 및 수정결정 발진기회로로 나뉩니다.
① RC 발진기(RC oscillator) 회로
되먹임회로의 여과기로서 저항(R)과 축전기(C)를 연결하여 사용하는 발진기회로로서 주로
오디오신호나 아주 낮은 주파수 신호를 발생하는데 사용합니다. 대표적인 예로는 위상지연
(phase shift) 발진기와 빈 브릿지(Wien bridge) 발진기가 있습니다.
위상지연 발진기회로는 다음 그림과 같으며 출력신호를 3단의 RC 고역통과 여과기(high
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pass filter)를 거쳐 OP amp 의 뒤집는 입력단(- input)에 가해주는 형태입니다. C1 = C2
= C3 = C 이고 R1 = R2 = R3 = R 이라면, 이 여과기를 통해서는 되먹임 저항
일 때 주파수
의 정현파 신호를 발생합니다.
Ex. 1 위 되먹임 저항 와 발진 주파수 를 유도해 보고
실제로 RC 되먹임 발진기를 꾸며서 확인해 본다.
빈 브릿지 발진기회로는 아래 그림과 같이 4개의 저항(R1, R2, Rb, Rf)과 2개의 축전기
(C1, C2)로 이루어진 브릿지를 되먹임회로에 사용합니다.
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R1 = R2 = R 이고, C1 = C2 = C 일 때 이 회로가 발진하는 주파수는
가 됩니다.
Ex. 2 위 빈 브릿지 발진기의 발진 주파수 를 유도해 보고
실제로 빈 브릿지 발진기를 꾸며서 확인해 본다.
② LC 발진기(LC oscillator) 회로
되먹임회로의 여과기로서 코일(인덕턴스 L)과 축전기(전기용량 C)를 연결하여 껴울림회로로
사용하는 발진기회로로서, 껴울림회로의 특성 때문에 특정한 주파수로 발진이 용이하며,
주로 라디오 신호 등 높은 주파수 신호를 발생하는데 사용합니다. 대표적인 예로서는
Hartley 발진기 회로, Colpitts 발진기 회로 및 Clapp 발진기 회로들이 있습니다.
Hartley 발진기의 되먹임회로는 두개의 코일과 한 개의 축전기로 이루어진 껴울림회로이며
콜렉터전압이 입력(베이스)전압과 180o 위상차가 나기 때문에 껴울림회로가 180o 위상차를
주어 바로 되먹임이 되도록 합니다. 이 발진기 회로에서 발진주파수는
≃
입니다.
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변형도 존재하는데 아래 그림은 접합형 전기장효과 트랜지스터(junction field effect
transistor, JFET) 소스 따르기(source follower)회로로서, 소스 따르기의 (열린회로) 전압
증폭율이 1보다 작기 때문에, 소스 전압을 승압하여 게이트(gate)에 되먹임시키는 방법을
사용한 회로이며, 두 코일의 인덕턴스를 L1 과 L2, 두 코일의 결합지수(coupling factor)를
k 라고 하면 발진주파수는
가 됩니다.
Ex. 3 위 Hartley 발진기의 발진 주파수 를 유도해 보고
실제로 Hartley 발진기를 꾸며서 확인해 본다.
Colpitts 발진기에서 되먹임 회로는 두 개의 축전기(C1, C2)와 한 개의 코일(L)로 이루어져
있습니다. 이때도 콜렉터전압이 입력(베이스)전압과 180o 의 위상차가 나기 때문에 껴울림
C L1
L2
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회로가 180o 위상차를 주어 바로 되먹임이 되도록 합니다. 이 발진기의 발진주파수는
입니다.
아래 그림은 다른 Colpitts 발진기회로로서 콜렉터전압을 에미터로 되먹임하는 방법입니다.
콜렉터전압은 에미터전압과 180o 위상차가 나므로, 되먹임회로에서 추가로 180o 위상차를
주어 바로되먹임을 시킵니다. 코일 L1 은 콜렉터 교류저항(임피던스)의 역할을 하며, 교류
(고주파)적으로는 C1, C2 와 함께 LC 병렬 껴울림회로를 구성하여, 특정 껴울림주파수에서
임피던스가 최대가 됩니다. 따라서 출력전압도 최대가 됩니다.
Ex. 4 위 Colpitts 발진기의 발진 주파수 를 유도해 보고
실제로 Colpitts 발진기를 꾸며서 확인해 본다.
Clapp 발진기의 되먹임 회로는 Colpitts 발진기에서와 같이 두 개의 축전기(C1, C2)와 한
개의 코일(L)로 이루어지되, 코일과 직렬로 축전기(C0)를 추가한 것입니다.
그림의 회로에서는 접합형 전기장효과 트랜지스터(JFET)의 소스 따르기(source follower)
회로로서 소스전압과 입력(게이트)전압이 같은 위상이므로 되먹임회로에서 별도의 위상차
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없이 바로되먹임을 시킵니다. 이 회로의 발진주파수는
입니다.
Ex. 5 위 Clapp 발진기의 발진 주파수 를 유도해 보고
실제로 Clapp 발진기를 꾸며서 확인해 본다.
③ 수정결정 발진기(quartz crystal oscillator) 회로
되먹임회로의 여과기로 수정 결정편(quartz crystal)을 사용하는 발진기 회로입니다. 수정은
압전체로서 거꿀 압전효과를 갖습니다. 즉, 수정 결정편에 입혀진 전극사이에 교류 전압을
가하면 결정편에는 같은 주파수의 역학적 진동이 일어납니다.
(수정 결정편의 진동 모드들)
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결정편의 결정방향에 따라서 일어나는 진동의 형태가 결정되며, 결정편의 크기(두께 등)에
따라서 서있는 역학적 파동이 생기는 껴울림 진동수들이 결정됩니다.수정결정 발진기에서는
껴울림 진동수에 해당하는 주파수로 발진을 일으키는데, 수정 결정편의 역학적인 Q 값이
매우 크기(104~105) 때문에 껴울림 곡선이 매우 날카로와서(선폭이 껴울림 주파수의
10-5~10-4 밖에 되지 않음) 일정한 주파수로 발진을 일으키는데는 LC 발진기(Q 값 ~ 100)
보다 유리합니다.
그러나 온도에 따라서 수정 결정편의 껴울림 진동수가 변하는데 결정면을 잘 택하면(예:
AT-cut) 사용하는 온도 주위에서는 온도에 따른 껴울림 진동수의 변화를 최소로 할 수가
있습니다. 더 나은 주파수 안정도의 발진기를 위해서는 온도가 일정하게 조절된 오븐 안에
수정 결정편을 넣어두고 발진을 시키는 오븐-조절 수정 발진기(oven-controlled crystal
oscillator, OCXO), 수정 결정편의 온도변화에 따른 주파수변화를 보상하는 온도보상 수정
발진기(temperature- compensated crystal oscillator, TCXO) 등이 쓰입니다.
다음은 수정발진기의 주파수 안정도를 다른 정밀 발진기들과 비교한 것입니다.
HP frequency counter 안에
내장된 오븐-조절 수정 발진기
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껴울림을 일으키는 수정 결정편은 전기적으로 아래의 등가회로로 나타낼 수 있습니다. 등가
회로는 결정편의 역학적인 진동특성을 나타내는 인덕턴스 L, 전기용량 Cs, 전기저항 R 의
직렬연결과, 전기적인 특성을 나타내는 병렬 전기용량 Cp 로 구성이 되어 있습니다.
이 수정 진동자 등가회로의 임피던스를 라고하면, 리액턴스(reactance)성분
의 주파수에 따른 변화는 아래 그림과 같이 두 주파수 와 에서 각각 0 이 됩니다.
이 주파수들이 수정 결정편에서 껴울림이 일어나는 주파수로서 를 직렬 껴울림 주파수,
를 병렬 껴울림 주파수라고 부르며 각각
≈
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입니다. 실제로 수정결정 발진기의 발진주파수는 수정편의 경계조건에 의해서 결정되는데
두 전극을 열린회로 조건(높은 임피던스 부하에 연결)으로 사용하면 병렬 껴울림 주파수로,
닫힌회로 조건(낮은 임피던스 부하에 연결)으로 사용하면 직렬 껴울림 주파수로 발진하며,
수정편에 병렬로 축전기를 연결하면 발진 주파수를 조금 낮게 조절할 수 있습니다.
수정 결정편의 역학적인 진동은 기본진동수의 정수배가 되는 진동수에서도 서있는 파동을
형성합니다. 이를 이용하면 수정발진기를 써서 고조파(overtone)의 발진도 가능합니다.
실제로 기본진동수가 높은 수정편을 만들려면 두께를 아주 얇게 해야 하기 때문에 20MHz
이상의 기본진동수를 갖는 수정편을 만들기가 어렵습니다. 이보다 더 높은 주파수의 모든
수정발진기는 기본 진동수의 3배, 5배 또는 11배가 되는 고조파 발진을 시킨 것입니다.
수정결정을 사용한 발진기회로에도 Colpitts 회로, Pierce 회로 등 여러 가지가 있습니다.
코일 한 개와 축전기 두 개를 사용하는 Colpitts 발진기 회로에서 코일 대신에 수정진동자
(XT)를 사용한 Colpitts 수정발진기 회로의 한 예는 아래와 같습니다. 여기서 C1 과 C2 는
충분히 큰 전기용량으로 택해 수정진동자가 직렬 껴울림주파수 로 진동하도록 하되 출력
신호를 너무 감쇄시키지 않도록 택합니다.
다음 그림의 Pierce 회로는 Colpitts 수정발진기 회로의 변형으로서, 수정 진동자의 직렬
껴울림주파수에서 임피던스가 최소가 되어 발진이 일어납니다.
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Ex. 6 수정결정 발진기는 수정편에 흡착되는 분자들에 의해서도 발진주파수가
변하여 이를 이용해서 흡착하는 분자들의 양을 재는 도구로도 활용된다.
수정결정 발진기를 제작하여 결정편에 입김을 불어 수증기를 흡착할 때
발진주파수가 얼마나 변하는지 확인해 본다.
(2) 음저항 발진기(negative resistance oscillator)
전자소자들 중에는 전압 대 전류(I-V) 특성이 단조롭지가 못하고 전압이 증가할 때 전류가
증가하다가 어느 전압 이상이 되면 오히려 전류가 감소하는, 그래서
로 동적인 저항
을 정의하면, 저항이 음수가 되는 음저항(negative resistance)의 특성을 갖고 있는
소자들이 있습니다. 대표적인 예가 마이크로웨이브 발생용 소자들인 magnetron, tunnel
다이오드와 Gunn 다이오드들입니다.
위 I-V 그림에서 전압 과 사이의 영역이 음저항 영역입니다. (주의: 음저항이라고
해서 전류가 전압과 반대방향으로 흐른다는 것은 아닙니다.) 음저항 특성을 갖는 소자들은
불안정성을 갖습니다. 즉, 그림에서 전류 가 과 사이의 값을 가질 때 해당 전압이
세 가지나 있어서 소자가 어떤 전압을 띌지 결정하지 못하는 불안정성을 말합니다. 전류를
0 (O점) 에서부터 E 점까지 증가시켰다가 감소시키면 증가할 때는 O → A → B → C →
D → E 로 전압이 증가하고, 감소시킬 때는 E → F → G → A → O 로 감소하는 이력
(hysteresis)특성을 보입니다. 따라서 이력영역 안의 전류가 흐를 때 세 가지 전압 중에서
가운데(음저항 영역 안에 있는 점) 것은 불안정한 상태여서 제외되고, B 와 F 에 해당하는
전압으로 주기적으로 변하는 변화가 일어나게 됩니다.
음저항 소자를 써서 발진회로를 구성하려면 음저항 소자와 발진주파수의 껴울림회로를 함께
사용하면 됩니다. 음저항 소자의 특성이 껴울림회로의 신호감쇄를 상쇄시켜 일정한 출력을
얻을 수 있기 때문에 증폭기를 쓰지 않고도 발진이 일어납니다.
···
O
A
B
C D
F
G
E
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① 마그네트론(magnetron)
레이더나 마이크로웨이브 오븐에 쓰이고 있는 마그네트론은 자기장 내에서 운동하는 전자
빔의 금속 빈 구멍(cavity)과의 상호작용에 의해 마이크로웨이브 주파수의 전자기파를 발생
하는 기구입니다.
음저항 특성과 껴울림 구조(빈 구멍)를 마그네트론 자체가 갖고 있기 때문에, 히터 전원과
양극에 고전압(~ 4kV) 직류전원을 가해주면, 빈 구멍의 크기에서 결정되는 마이크로웨이브
주파수의 마이크로웨이브를 발생합니다.
마이크로웨이브 오븐은 마그네트론의 전원 외에도 여러 가지 콘트롤 및 디스플레이 기능을
갖고 있습니다. 따라서 마이크로웨이브 오븐의 회로구성도 복잡한데 대표적인 기능에 대한
개념도가 다음 그림에 있습니다.
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(마이크로웨이브 오븐 전자회로의 구성)
② 터널 다이오드(tunnel diode, Esaki diode)
터널 다이오드는 p-n 접합(junction) 다이오드의 한 부류로서 제작할 때 특별히 반도체물질
(Ge, Si, GaAs 등)에 불순물 첨가(doping)를 많이 한 것입니다.
(터널 다이오드의 표시) (터널 다이오드 1N3716)
그러면 p 영역 가전자대(valence band)의 홀 상태 에너지준위와 n 영역 전도대(conduction
band)의 전도전자 상태 에너지준위가 같은 에너지로 정렬되며, 공핍층(depletion layer)의
두께도 아주 얇아(~10nm) 전자와 홀의 양자역학적 터널링(tunneling)이 일어나게 됩니다.
pn 접합의 순방향으로 전압을 증가시키면 p, n 영역의 에너지준위의 변화에 따라 처음에는
터널링이 증가하다가 감소하게 되어 전류도 증가하다가 감소하고, 더 증가시키면 일반적인
pn 접합 다이오드에서와 같이 순방향 전류가 흘러 전류가 증가합니다. 즉, 전압이 증가할
때 터널링에 의한 전류가 감소하는 음저항 영역이 있습니다.
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(순방향 전압이 가해진 터널 다이오드의 에너지 준위)
(터널 다이오드의 전압 대 전류 특성)
터널 다이오드를 사용한 발진기 회로의 예는 아래 그림과 같습니다.
터널링에 의한
전류
접합을 통해
흐르는 전류
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Ex. 7 기성품 터널 다이오드가 아닌 수제품(home made) 터널 다이오드의
음저항 특성을 조사하고, 발진회로를 제작한 흥미로운 사례가 있다.
(http://www.sparkbangbuzz.com/els/ntype-nr-el.htm) 이를 참고해서 자신의
터널 다이오드를 찾아본다.
③ Gunn 다이오드
마이크로웨이브 발생에 주로 사용되는 Gunn 다이오드는 GaAs 같은 반도체물질의 특이한
에너지 띠 구조에서 발생하는 Gunn 효과를 이용한 것입니다. pn 접합 다이오드와는 달리
Gunn 다이오드는 n 형 반도체로만 구성되어 있습니다. 양 끝에는 불순물을 많이 첨가하고
가운데 얇은 층은 적게 첨가한 구조로 만듭니다. 전압을 다이오드 양끝에 가하면 일반
(반)도체에서와 같이 전압에 비례해서 전류가 흐르다가, 어느 이상이 되면 전류가 감소하게
됩니다. 즉, 음저항의 특성을 보입니다. 이것은 GaAs 의 전압-전류 특성을 조사하던
Gunn 에 의해서 큰 잡음이 목격되면서 발견되었는데, 음저항이 생기는 이유는 뒤에 가속된
전자가 전이(transfer)하는 높은 에너지 띠(third band)에서 전자의 유효질량(effective
mass)이 커서 이동도(mobility) 또는 유동속도(drift velocity)가 느려져서 저항이 증가하는
것으로 알려졌습니다.
(Gunn 다이오드의 예) (Gunn 아이오드의 전압 대 전류 특성)
이 Gunn 효과는 균일하게 불순물이 첨가된 GaAs 에서도 생기는데, 이 때는 반도체내에서
마구잡이로 전자나 홀 밀도가 큰 영역이 생기면 (큰 전압을 가해 높은 에너지 띠로 전이가
가능할 때는) 전기장이 센 곳의 이동도가 더 작아 영역의 폭이 좁혀지는(bunching) 효과가
있어 구역(domain)을 형성하며 (+) 전극을 향해 이동합니다. 이때 외부에 껴울림 회로가
없으면 구역이 전극과 전극사이를 이동하는데 걸리는 시간을 주기로 전류가 진동을 하지만,
껴울림회로가 있으면 껴울림 회로의 주파수로 진동을 하게 됩니다.
th
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(Gunn diode 발진 특성의 원리)
(Gunn 다이오드 발진기의 두 가지 기본 구조)
① Gunn 다이오드 ② 열린 구멍(aperture)
TE101 모드
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2) 비선형 발진기(nonlinear oscillator 또는 relaxation oscillator)
정현파가 아닌 톱날파(sawtooth wave)나 삼각파(triangular wave) 또는 사각파(square
wave) 등을 발생하는 발진기를 말하며, 축전기나 인덕터(주로 축전기)에 전기에너지를 충전
/방전하는 형태로 발진을 일으킵니다. 따라서 이 회로는 비선형 소자인 스위치를 포함하기
때문에 비선형 발진기라고 부릅니다.
아래 그림과 같은 RC 충전회로의 특성은 물리학 2 에서 다룬 것과 같이
입니다.
충전된 축전기전압이 스위치의 문턱전압 를 넘어서면 축전기는 스위치를 통해 방전을
시작합니다.
스위치의 저항을 이라고 하면 방전되는 축전기 전압은
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입니다.
축전기 전압이 낮은 문턱전압 에 다다르면 스위치가 닫히고 다시 충전이 일어납니다.
따라서 축전기를 사용한 완화발진기의 파형은 톱날파에 가깝고, 주기는 문턱전압에 따라서
입니다.
Ex. 8 완화발진기의 충전/방전전압과 주기의 표현식을 유도한다.
사각파발진기는 디지털회로의 시계신호(clock signal)를 얻는데 많이 쓰이므로 다음 장에서
다루기로 합니다. 여기서는 톱날파나 삼각파를 얻는 몇 가지의 발진기회로를 살펴보기로
합니다.
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(1) 네온램프를 스위치로 사용한 완화발진기
네온램프의 ON/OFF 문턱전압 특성을 이용하여 충전된 축전기를 방전시키는 방법입니다.
충전하는 동안은 네온램프를 통해서는 전류가 흐르지 않고 RC 회로를 통해서 충전되다가
축전기 전압이 네온램프의 높은(ON) 문턱전압을 넘으면 네온램프를 통해서 방전이 됩니다.
축전기 전압이 네온램프의 낮은(OFF) 문턱전압에 다다르면 네온램프가 꺼지고 다시 충전
사이클을 시작합니다. 이 같은 방법으로 축전기 전압(또는 네온램프에 가해지는 전압)이
일정한 톱날파 형태의 파형을 갖게 됩니다. 발진 파형의 주기는 대략 5RC 가 됩니다.
실제 사용가능한 회로의 예가 아래 그림과 같습니다.
여기서는 3배압 정류회로를 사용하여 1000V DC 를 공급하고, 전기용량 1mF 내압 1000V
이상인 축전기와 문턱전압이 400V 인 네온램프를 사용하고 있으나 카메라 플래시용 제논
램프를 사용해도 무방합니다.
Ex. 9 위 완화발진기의 출력전압(플래시 튜브에 가해지는 전압) 파형을
스케치 해본다.
(2) 타이머 IC 를 스위치로 사용한 완화발진기
555 타이머 IC 와 같은 타이머 IC 의 비교기(comparator)를 스위치로 사용해서 일정 전압