실험 1 : 클리핑 회로

【 이론 】

어떤 기준레벨보다 높은 부분이나 낮은 부분 등 임의의 파형부분만을 전송하기 위하여 사용하는 회로를 클리핑(clipping)회로 또는 리미터 혹은 진폭제한회로라고 한다.


그림 12-1(a)에서, 다이오드의 부분적인 선형모델을 이용하면 그림(b)의 전송 특성을 얻는다. 다이오드의 임계(혹은 차단오프셋)전압

V_r

 
에 비하여 입력전압

v_i~

 

v_i <= V_r + V_R

 
일 때, 다이오드 전압은

v<V_r

 
로 되어 다이오드는 차단 상태가 된다. 이때 저항 R에는 전류가 흐르지 않으므로 출력

v_o

 

v_o = v_i~

 
가 된다. 여기서 입력 신호가 (-)값으로부터

V_R + V_r

 
까지의 범위에서는 전송특성곡선의 기울기가 1인 직선이어야 한다. 다음에 입력신호

v_i~

 

v_i >= V_R + V_r

 
로 커지면 D는 도통되어 내부저항

R_f~

 
인 전지

V_r

 
로써 동작하게 된다. 이때 출력전압

v_o

 
는 다음과 같다.

 

v_o = v_i R_f over R+R_f + (V_R + V_r ) R over {R_f +R}

 

즉 입력에서의 증가분

Δ v_i~

 
는 감소되고, 출력측에 증가분으로 나타나는

Δ v_o

 
는 다음과 같다.

 

Δv_o = Δ v_i R_f over {R_f + R}

 

이것은 전송곡선에서

v_i ~ > V_R + V_r

 
에 대한 기울기

R_f / (R_f + R)

 
의 직선부분임을 알 수 있다. 그림 12-1(b)의 입력신호의 진폭은 만곡점보다 훨씬 큰 파형이므로 출력신호의 진폭은 (+)의 일부분이 깍이게 된다. 이것은 입력신호의 (+)최대치의 짤림을 나타내는 것이 되는데, 만약

R_f~ < R

 
이면 짤린부분의 정도가 더욱 심하게 되어 출력신호의 최대값은

V_R + V_r

 
로 제한된다. 보통

V_R ~ >> V_r

 
이므로,

V_R

 
만을 기준전압으로 하여도 된다.


그림 12-2(a)의 클리핑 회로는 앞의 경우와는 반대로 다이오드가 접속되어 있다. 전달특성에 부분적인 선형모델을 적용하면 그림(b)의 특성을 얻는다. 이 회로에서는 입력신호가

V_R - V_r

 
보다 큰 (+)인 선형부분은 감쇠없이 전송되지만, (+)전압보다 낮은 부분은 출력되지 않는다. 그림 12-1(b)와 그림 12-2(b)에서 다이오드 역방향저항

R_r

 

R_r ~ >> R~

 
로 가정한다. 이 조건을 만족하지 않는 회로는 전송특성이 수정되어야 하는데, 기울기가 1인 직선부분은

R_r / (R_r + R)

 
의 기울기를 갖는 것으로 대치해야 하고, 다이오드 클리핑회로의 전송에서는

R_r >> R~

 
이어야 한다. 일반적으로 흔히 사용되고 있는 다이오드 클리핑회로를 그림 12-3에 나타내었다. 이 회로의 동작을 간단히 하기 위하여 다이오드는 이상적인 것으로 내부저항을 무시하였다. 즉 다이오드는 이상적인 ON-OFF 스위치로써 동작한다고 가정한다.


그림 12-3(a)의 회로에서 입력전압

v_i

 
가 기준전압

V_R~

 
보다 작을 때 D는 차단상태 즉, 개방회로와 같으며, 입력전압

v_i

 

V_R

 
보다 클 때 다이오드는 도통상태에 있으며 실제로 단락회로로써 동작한다. 따라서 출력

v_o

 
는 다음과 같다.

 

v_o = v_i (v_i < V_R ), ~ v_o = V_R (v_i > V_R )

 

입력신호를 정현파로 가한 경우를 그림 12-3의 아래에 표시하였다. 위 식의 클리핑파형은 입력파형에서 기준전압

V_R

 
이상의 부분을 잘라낸 파형으로 출력측에 나타난다. 그림 12-3(c)는 D의 극성을 반대로한 회로이다. 이 회로에서

v_i < V_R

 
일때 D는 도통상태에 있고,

v_i > V_R

 
일 때 차단상태로 된다. 따라서 이 경우의 출력

v_o

 
는 다음과 같다.

 

v_o = V_R (v_i < V_R ), ~ v_o = v_i (v_i > V_R )

 

그림에서 보는 바와 같이 출력파형은 입력파형의 기준전압

V_R

 
이하의 부분을 잘라낸 모양으로 나타난다. 이와같이 그림 12-3(a), (c)를 병렬형 클리핑회로라고 한다. 또 그림 12-3(b),(d)는 다이오드를 신호의 전송로에 직렬로 넣어서 클리핑회로를 구성하였으므로, 이를 직렬형 클리핑회로라고 한다.

[슬라이스(Slice or limitter)회로]

두 개의 기준전압

V_R1

 

V_R2

 
사이의 신호성분만을 전송하기 위하여 다이오드쌍으로 된 다이오드 클리핑 회로를 슬라이스(진폭제한)회로라고 한다. 이 회로는 병렬-직렬 또는 직병렬 연결로써 구성할 수 있는데, 그림 12-4(a)는 병렬인 경우로써 전송특성곡선은

v_o = v_i = V_R1

 

v_o = v_i = V_R2

 
인 두 개의 만곡점을 가지고 있고, 다음과 같은 특성을 갖는다. 여기서

V_R2 > V_R1 >> V_r

 
이고

R_f ~ << R~

 
로 한다. 입력전압

v_i

 
가 다음과 같을 때, 출력전압과 다이오드의 상태는 다음과 같다.

 

입력신호

rm V_i

 

출력신호

rm V_o

 

다이오드 상태

 

rm V_i <= V_R1

 

 

rm V_R1 <= V_i <= V_R2

 

 

rm V_i >= V_R2

 

 

rm V_o = V_R1

 

 

rm V_0 = V_i~

 

 

rm V_0 = V_R2

 

 

rm D_1 : ON,~~~~~D_2 : OFF

 

 

rm D_1 : OFF, ~~~~ D_2 : OFF

 

 

rm D_1 : OFF, ~~~~D_2 : ON


3

이 슬라이스회로는 정현파신호로 부터 구형파를 얻기 위하여 사용되는데, 대칭인 구형파를 얻으려면

V_R1

 

V_R2

 
의 절대값이 같고, 극성이 반대이어야 한다. 이 조건에서 전달특성곡선을 원점을 지나고 입력파형은, 위와 아래부분이 대칭으로 잘리게 되는데, 입력신호의 진폭이 기준전압

V_R1

 

V_R2

 
의 차이보다 훨씬 크면 출력신호는 구형파로 된다.


또 제너다이오드를 그림 12-5(a)와 같이 반대로 직렬연결하면 그림 12-5(b)와 같은 특성을 가진 클리퍼(clipper)로 동작한다.

다이오드가 동일한 특성을 가지면 대칭인 진폭제한기가 얻어진다. 제너 다이오드의 항복전압이

V_z

 
이고, 차단전압이

V_r

 
이면 그림 12-5(b)의 전달특성이 얻어진다.