PCB에서 사용하는 MOS들은 특성상 증폭기로 사용할 수 없다. (TR은 가능하다.) MOSFET switch는 on으로 동작할 때 양단의 전압차는 0V에 가깝다. 즉, 전압 drop이 적고, 파워 소모가 적다. BJT는 0.2V 전압 강하가 발생하기 때문에 파워 소모가 더 크다. 따라서 파워가 중요한 모바일 기기 같은 경우는 스위치로 MOS를 사용해야 한다.
MOS 소자를 다른 걸로 바꾸고 특성을 확인해보자. 라이브러리에 없는 걸 사용할 때, lib 추가하고 소자 클릭 후 아래와 같이 두가지 밸류 네임을 수정해준다.
level은 0부터 8 까지 있는데, 8에 가까울수록 정교한 모델링이다. L은 channel length이고 Vto는 문턱전압이다. 또한 MOSFET는 특성상 기생 커패시턴스가 많아, 주파스 특성 잡기가 어렵다. 감마는 바디 이펙트, 람다는 얼리전압을 결정짓는 파라미터이다.
<모스펫을 이용한 switching 회로>
input이 5v이면 output 0, input이 0이면 output 5v로 의도대로 파형이 출력되고 있다. 하지만 모서리 부분이 튀는 현상이 발생하고 있다.
dv/dt 는 edge에서 급하게 바뀌는데 (입력이 바뀔 때마다), 회로를 보면 기생 커패시턴스 Cgd에 흐르는 전류로 인해 edge에서 전압(I*R)이 튀는 현상이 발생한다. 파형의 기울기를 크게 하면 dv/dt가 감소하고 전류가 감소하여 튀는 현상을 줄일 수 있다.
기생 커패시턴스 Cgs가 있고, 저항 R을 추가해준다. -> RC 시정수를 만들어주면 rising, falling time을 크게 할 수 있다. 즉, dv/dt가 감소한다. 저항의 값은 임의로 주고 조금씩 키워본다.
개선된 결과를 확인할 수 있다.
주의해야 할 점은, 시정수 값을 너무 크게 줄 경우 입력과 출력의 타이밍이 어긋나버리는 결과가 나올 수 있다. 따라서 주로 저항값은 수십킬로 옴 정도가 적절하다.
<Load switch>
만일 실제 IC라면 출력 쪽에 C가 있다.
커패시터 성분에 의해 inrush current가 발생한 것을 확인할 수 있다.
fix하기 위해 시정수를 만들어준다.
R, C 값을 조정하여 원하는 current 값으로 줄일 수 있다. 0으로 만드는 것은 거의 불가하지만 최대한 줄일 수 있다.
1.2A 정도에 550mA 수준까지 감소한 것을 확인할 수 있다.
출력단의 전압을 확인하면 천천히 방전되고 있는 것을 확인할 수 있는데 이것이 좋지않은 영향을 끼칠 수 있다. 빨리 방전되게 회로를 수정해보자. 예를 들어 전기자동차의 경우, 방전되지 않아 충전되어 있는 전압으로 인해 예기치 못한 사고가 발생할 수 있다. 따라서 빨리 방전되도록 해야 한다.
100Hz까지 일정한 출력(=1V)이 나오다가 1MHz를 넘어가면서부터는 출력(=0V)이 나오지 않는 것처럼 보인다. 즉 회로는 정상적으로 동작하지 못하고 있다. 보통 일정한 출력에서 0.707 까지가 정상 출력으로 하며 차단주파수/cutoff freq/반전력주파수/corner freq/3DB주파수 라고 부른다.
그래프를 확대해보면 대략1kHz 쯤이 0.707 즉, cutoff freq인 것을 알 수 있다. 대역폭을 찾기 위해 cutoff freq(fc)를 알아야하기 때문에, 주파수 해석은 cutoff freq을 찾기 위함이라고도 생각할 수 있다.
dB로 해석해보자.
위와 같은 파형을 확인할 수 있으며 기울기를 계산하면 -20dB/decade 임을 알 수 있다.
그래프를 확대해보면 -3dB지점이 1kHz임을 확인할 수 있다.
//1kHz 오실로스코프 등가회로
파란색 파형이 위상이 45도 뒤쳐졌다. 두 파형을 맞춰보자.
cutoff freq를 1kHz에서 5kHz로 즉, 5배 크게 하기 위해 시정수를 줄여야 한다. 따라서 C를 5배 작은 값으로 바꿔서 시뮬레이션해본다.
VSIN 전압원에서 AC를 활용해본다. AC값을 설정하면, DC해석에서는 반영되지 않고, AC 해석시에 VAC처럼 적용이 된다. 시뮬레이션 셋팅은 AC sweep으로 바꾼다.
dB 파형 확인을 더 편하게 확인하기 위해 위와같이 마커를 지정할 수 있다.
cutoff freq가 5배 커진 것을 확인할 수 있다.
(개념)
라플라스부품을 사용하여 전달함수를 그릴 수 있다.
결과를 보면 결과가 똑같은 것을 확인할 수 있다.
2. 수동필터
0.707 기준으로 주파수의 pass/ stop 즉, 주파수가 통과했는지가 정해진다.
HPF
BPF
LPF, HPF 의 C값이 같기 때문에 제대로된 BPF 파형을 확인하기 어렵다
(개념추가)
직렬 공진회로와 병렬 공진회로를 구성하였다. 직렬 공진회로에서 1G 저항을 달아준 이유는, SPICE 가 동작적 해석을 할 수 없기 때문이다. (open동작) 따라서 1G저항을 달아줌으로써 open과 마찬가지인 회로를 만들어준 것이다.
위와 같이 AC sweep 시뮬레이션 셋팅을 해주었다.
SRF 값 같음, 초록색이 직렬공진, 빨간색이 병렬 공진의 파형이다. 파형이 제대로 안나와서 y축 우클릭 후 log로 바꿔주었다.
이제 전달함수를 보자
2차 회로를 구성하였고 결과를 보면 10배차이, 40dB 기울기를 확인할 수 있다. 다만, 튄 부분 peaking 영역이 있는데 이는 공진회로 때문에 생긴 것이다.
peaking영역에서는 noise를 증폭하며 시간영역에서 해석했을 때 아래와 같은 파형이 나온다.
위처럼 회로 해석을 위해 테브난 등가회로/ 노턴 등가회로로 표현할 수 있으며, 결과는 같아야 한다.
IC의 출력 단에서의 출력 임피던스 추정 방법이다. IC 출력단을 open하고 V를 측정하고, short 하여 I를 측정한다. R을 계산하여 구할 수 있다.
이제 PSPICE를 사용하여 실습해보자.
먼저 시뮬레이션 셋팅한다. 시뮬레이션 런 후에 확인하고 싶은 V, I W를 클릭하면 된다.
위의 회로는 아래와 같이 테브난 등가 회로, 노턴등가회로로 표현할 수 있다.
입력저항 R에 걸리는 전압 및 전류가 동일한 것을 확인할 수 있다.
논리1일 때
논리 0일 때
왼쪽 회로를 보면 출력단 open (출력저항 = 1T)로 셋팅하면 전압 90mV를 확인하였다. 오른쪽 회로에서는 출력단 short (출력저항 = 1m) 하여 전류 12.85mA를 확인하였다.
90/ 12.85 을 계산하면 저항은 약 7옴인 것을 알 수 있다. 따라서 아래와 같이 테브난/노턴 등가회로를 구성한 후 결과가 같은지 확인해본다.
위에서 구한 값을 이용하여 테브난/노턴 등가회로를 구성하였다. 임의의 저항값을 주고 결과를 확인하였을 때 입력저항에 같은 전압과 전류가 걸리는 것을 확인할 수 있다.
2. 최대전력전달
위와 같이 회로를 구성하고 DC sweep 시뮬레이션 셋팅을 해준다.
toggle cursor 를 클릭하면 파형의 값을 읽기 쉽다.
파형을 확인해본 결과 RL이 100옴일 때 최대전력전달이 가능한 것을 알 수 있다.
3. 정현파 (사인파)
위와 같이 셋팅하여 사인파의 파형을 확인해본다. 이 때 Run to time은 파형을 몇 seconds 동안 출력할 것인지 정하는 것이다. 한 주기를 고려해서 원하는 시간을 지정하면 된다. (한주기 1ms)
셋팅 후 V prove를 찍고 시뮬레이션을 run한다.
결과를 보면 파형이 매끄럽지 않게 출력된 것을 확인할 수 있다.
계산 간격을 촘촘하게 줄수록 정교하고 매끄러운 파형을 그릴 수 있다. 1ms 라는 주기를 고려하여 1us 간격을 입력했다.
아까와 달리 파형이 매끄럽게 출력된 것을 확인할 수 있다.
한 가지 유의해야할 점은, 사인파 크기를 Vp로 측정하지 않고 Vpp로 측정되는 기기들이 많다는 점이다. 피크 투 피크로 계측했던 이유는, 예전엔 중앙값을 찾기가 어려웠기 때문이다. 현재는 물론 디지털 오실로스코프 등 Vp 값을 찾을 수 있지만 그럼에도 여전히 Vpp로 측정하는 기기들이 많으므로 이런 부분을 잘 확인한 후 계측해야 한다.
<실효값>
교류의 경우 파워를 계산하는 것이 쉽지 않다. (직류는 공급하는 파워와 같다.)
중요한 것은, 사인파에서 Vrms(실효값)은 결국 진폭과 상관관계가 있다는 것이다. (Vm = Vp) 즉, 0.707Vp이며 진폭의 70.7% 지점을 값으로 가진다. 추가적으로 펄스파는 Vrms = Vp, 삼각파는 Vp를 루트 3으로 나눈 값임을 알아두자.
위의 회로를 사용하여 실효값을 확인해보자.
시뮬레이션 결과 창에서 위의 아이콘을 클릭한다.
RMS를 누르고 전압노드를 클릭해주면 아래처럼 표현된다.
초록색이 100V 이고, 빨간색이 실효값으로 표현된, 0.707이 곱해진 값이다. 커서를 눌러 정확한 값을 확인할 수 있다.
이제 직류와 교류 신호를 비교해보자
초록색은 DC 전력이고 빨간색은 AC 전력(실효값) 이다.
AC 전력은 위와 같이 계산해서 만들어줄 수 있다. P = Vrms제곱/R
100V DC (Voffset = 100V)와 100V 사인파를 중첩한 경우이며, DC와 AC모두 전력을 공급한다.
중첩된 전력에 대한 파형이다. (Vrms제곱/R)
빨간색은 DC AC의 중첩된 Vrms 값이다. 100루트2 = 약 140V이다.
멀티미터로 측정 시, 중첩된 값이 아닌 순수 교류회로의 rms 값만 측정해준다. 따라서 DC값과 AC 값을 따로 측정하여 계산해서 구해야 한다.
Error-15142 - 왼쪽과 오른쪽 회로는 전기적으로 절연, 전압전류가 아닌 자속의 형태로 에너지가 넘어가는 것이다. 그러므로 서로 다른 회로이므로 두 회로 각각 접지해줘야 한다. (isolated - tranformer)
Error-15143 - SPICE tool에 대한 이해가 필요하다. SPICE는 해석 시 transient가 아닌 동작적 해석을 가장 먼저 한다. (DC해석) 따라서 위의 회로를 보면 인덕터로 인해 short처럼 해석하여 초기값을 구할 수가 없기에 에러가 발생한 것이다. 따라서 직렬로 저항을 달아줘야 하고, 매우 작은 저항을 달아줌으로써 영향을 끼치지 않게 한다.
예상대로, 인덕턴스를 4:1로 설정했기에 전압이 2:1 비율로 측정되고 있다. 100V와 50V인 것을 확인할 수 있다.
인덕터 두 개와 K_Linear 를 이용하여 변압기와 똑같은 결과를 얻을 수 있다. K_Linear에서 L1, L2를 작성해준다.
그리고 다음으로 전류를 확인해본다.
왼쪽 회로에서는 현재 short와 마찬가지이고 저항이 매우 작기 때문에 전류가 매우 크고 오른쪽은 전류가 매우작다. 대략 1000배 이상 차이가 나기에 오른쪽 회로의 파형이 제대로 보이지 않고 있다.
Plot- add plot to window 클릭하여 두 파형을 나눠서 확인할 수 있다. 이 때 파형을 옮기기 위해서 왼쪽아래의 라벨을 잘라내고 새로 만든 창에 붙여넣는다.
위상이 조금 틀어졌지만 위와 같이 결과를 확인할 수 있다.
한가지 유의할 점은, 저항을 이용하여 전압분배를 통한 방법은 전압원을 만드는 것은 아니다. 변압기를 구성하는 것은 전압원을 만드는 것과 같다. 그러나 주파수를 바꿀 순 없다. 주파수를 바꾸기 위해선 교류를 DC로 만들고 다시 원하는 주파수의 교류회로를 만들어야 한다. (인버터 시스템)
3-2 RLC 소자 특성
디지털 클락을 이용하여 RLC 소자 특성을 확인해본다. 직관적으로 해석했을 때, R은 0v, 5v 클락 파형은 유지하고 전류의 양이 감소한 채 나오고, L과 C는 voltage가 시간에 따라 바뀌는, edge에서 파형이 변할 것이다.
시뮬레이션은 위와 같이 셋팅한다.
current marker 찍을 땐 전류가 들어가는 방향에 찍어야 한다.
RLC 소자의 특성을 확인할 수 있다. 초록 - R, 파랑 - C, 빨강 - L
저항은 입력 파형의 변화없이 전류의 양만 감소하였고, 인덕터는 전류 지연 현상, 캐패시터는 edge부분만 전류가 통과된다. L은 고주파 성분을 통과시키지 못하고, C는 고주파 성분만 통과시킨다.
색칠된 부분을 보면, 전류가 사라지지 않아 큰 전압을 유발하는 문제 발생한다.
다음은 각 R L C 소자를 통과하는 전압을 확인한다.
freq를 바꿔서 알아서 툴이 돌리도록 셋팅하여 시뮬레이션해보자. 먼저 freq에 값을 변수 fr로 설정한다. 그리고 PARAM을 추가한다.
PARAM 셋팅에서 new property를 추가해주고 디스플레이해준다.
위와 같이 시뮬레이션 셋팅을 해준다. Parametic Sweep을 클릭하고 파라미터 이름을 적어주고 시뮬레이션할 freq 변수 값을 아래 value list에 일렬로 적는다.
R 소자의 파형을 확인한다.
전압은 5V에서 2.5V로 줄었지만 고주파 저주파 모두 동일하게 잘 나오고 있다. 즉 전류가 2.5mA로 감소하였고 R회로는 전류제한을 위한 회로이다.
L-R 회로의 파형을 확인한다.
인덕터의 특성상 저주파 성분은 잘나오지만 고주파 성분은 차단된다. 즉, L-R 회로는 LPF 특성을 갖는다.
C-R회로의 파형을 확인한다.
캐패시터 특성상 고주파 성분은 잘 나오지만 저주파 성분은 차단다. C-R 회로는 HPF 특성을 갖는다.
