[Harman 세미콘 아카데미] 31일차 - PSpice(Passive Filter, Diode)

[Passive filter]

 

패시브 필터는 전기 신호를 조작하여 특정 주파수 대역을 통과시키거나 차단하는 데 사용되는 전자 필터이다.

이러한 필터는 불확실성이 없고 전원 공급이 필요하지 않으며, 저비용이고 설치 및 운영이 간단하다는 장점이 있다.

일반적으로 저항기, 콘덴서, 인덕터 등의 기본적인 전자 부품들로 구성된다.

 

패시브 필터는 두 가지 유형으로 분류된다.

 

1. Low-pass filter(저역 통과 필터)

    : 저역 통과 필터는 일정 주파수 이하의 신호는 통과시키고 더 높은 주파수의 신호를 차단한다.

      즉, 저주파 대역을 허용하고 고주파 대역을 차단한다는 의미이다.

      이러한 필터는 고역 음성 및 비디오 신호를 처리하거나 노이즈를 제거하는데 사용된다.

2. High-pass filter(고역 통과 필터)

    : 고역 통과 필터는 일정 주파수 이상의 신호는 통과시키고 더 낮은 주파수의 신호를 차단한다.

      즉, 고주파 대역을 허용하고 저주파 대역을 차단하는 기능

      이러한 필터는 낮은 주파수에서의 노이즈를 제거하거나 음성 또는 비디오 신호의 고역 성분을 추출하는데 사용된다.

 

패시브 필터의 설계는 주파수 대역, 첨점, 감쇄 등의 요구 사항에 따라 결정되고

일반적으로 RC(저항 및 콘덴서) 필터, RL(저항 및 인덕터) 필터, LC(인덕터와 콘덴서) 필터 등이 사용된다.

필터는 사용자가 원하는 주파수 특성에 따라 커스터마이즈할 수 있으며, 

음성 및 비디오 신호 처리, 통신 시스템, 음향 시스템 등에서 널리 사용된다.

 

R, C로 구성된 1차 필터는 -20dB/dec의 기울기 특성을 가지며,

R, C. R, C로 구성된 2차 필터는 -40dB/dec의 기울기 특성을 가진다.

 

R-C구성은 LPF, C-R구성은 HPF의 표준 형식이고

주파수 가변 저항인 C나 L의 구성 수에 따라 차수가 결정되며, 차수가 크면 경계 특성도 좋아진다.

즉, 기울기 특성이 더 가파르게 된다는 의미이다.

 

RF-Tools.com

 

굳이 계산할 필요없이, 손쉽게 필터를 설계할 수 있다.

Order : 차수

아래 링크 참조

https://rf-tools.com/lc-filter/

RF Tools | LC Filter Design Tool

 

 

[Diode]

 

PN 접합의 기본적인 특성을 활용한 것이 Diode이다.

 

관련 내용은 아래 링크 참조

https://rangvest.tistory.com/entry/%EB%B0%98%EB%8F%84%EC%B2%B4%EC%9D%98-%EC%9B%90%EB%A6%AC-PN%ED%98%95-%EB%B0%98%EB%8F%84%EC%B2%B4-PN%EC%A0%91%ED%95%A9

반도체의 원리 - P/N형 반도체 PN접합,

 

다이오드의 특성 곡선

 

 

다이오드의 특성 곡선(IV Curve)은

전류-전압 특성을 나타내는 그래프로, Forward Bias에서는 양 방향 전류가 흐르고, Reverse Bias에서는 거의 차단 상태이다.

하지만 매우 높은 전압에서는 항복 현상이 발생하여 도통되어 전류가 흐르게 된다.

다이오드는 반도체 소자로서 일방향 전류 흐름을 가능하게 하며, 전압에 따른 건류으 흐름을 특정 방향으로 제어하는데 사용된다.

 

※ 다이오드 특성의 온도 변화

 

다이오드의 동작 특성

<기본 특성>

   순방향 바이어스(V > Vth)

    : 문턱 전압(Vth)이상이 되어야 다이오드가 동작한다.

   역방향 바이어스(V < 0)

    : 항복전압에 도달하기 전, 전류가 미세하게 흐른다.

      거의 0에 가까운 값이라 역전압은 차단되는 것으로 봐도 된다.

   항복 전압 : C < -Vzk

 

<온도 특성>

순방향 바이어스 시, 아래와 같은 공식의 값을 가진다.

Is : 포화전류(열전압 인가 시)

열전압 Vt

열전압은 온도에 의해서 변화되는데, 그에 따라 다이오드의 전압 전류 그래프에도 변화가 생기고

2개의 온도를 비교했을 때, 온도가 높으면 높을수록 문턱전압이 낮아져, 더 빨리 반응하게 된다.

위와 같이 온도 특성을 적용한 실제 다이오드의 모델은 다음과 같다.

이때, 다이오드의 전압 전류식에서 지수함수 부분이 1을 빼는 것 정도는 무시할 수 있을 정도로 크다면

위와 같이 나타낼 수 있고, 정리하면 다음과 같다.

다이오드의 특성 곡선(IV Curve)과 전압 전류식을 그래프에서 나타내면,

다이오드의 동작점(Operating Point)을 구할 수 있다.

 

참조 블로그

https://m.blog.naver.com/pro_000/221018415196

다이오드 동작 특성

 

Schottky Diode

 

 

Schottky Diode는

빠르고 반복적인 전류 흐름을 가능하게 하는 특수한 유형의 다이오드이다.

일반적인 다이오드와는 달리, 쇼트키 다이오드는 역방향 전압에서도 낮은 저항을 가지며

역방향 전류가 비교적 적게 흐를 수 있다.

 

이러한 특성으로 인해 쇼트키 다이오드는

전류의 빠른 반복이나 복귀를 가능하게 하며 주로 고주파 회로에서 사용한다.

저항이 낮고 빠른 반응 속도를 가지기 때문에 스위칭 속도가 빠르고, 전력 손실을 최소화하면서 높은 효율성을 제공한다.

 

일반적으로 반도체 소자로서 쇼트키 다이오드는

스위칭 모드 전원 공급장치, 고주파 변환기, 브리지 정류기, 반전기 등 다양한 고주파 응용에서 사용되며,

특히 고주파 에너지를 효율적으로 변환하는 데 적합하다.

 

 

Zener Diode

Zener Diode는

양방량으로 전류를 흐르게 하면서도 역방향 전압에서 일정한 전압 강하를 제공하는 특수한 다이오드이며,

양방향 다이오드 또는 양방향 전류 차단 다이오드로도 불린다.

 

일반적인 다이오드와는 다르게, 제너 다이오드는 역방향에서 일정한 전압에 도달하면 전압 강하가 발생하여 역방향 전류를 제한한다.

이러한 특성으로 인해 제너 다이오드는 특정한 전압을 넘어서지 않도록 보호 기능을 제공하는 용도로 사용된다.

 

제너다이오드는 주로 전압 정규화, 과전압 보호, 스파이크 차단 등의 용도로 사용되며,

전원 회로나 통신 시스템에서 전압의 안정성을 유지하는 데에 활용된다.

또한 특정한 정전압 발생을 원하는 경우에도 제너 다이오드를 사용하여 안정적인 정전압을 얻을 수 있다.

 

 

Varactor(VariCap) Diode

 

Varactor(VariCap) Diode는

반도체 소자로서 양방향으로 전류를 허용하지 않고, 특정 방향으로만 전류를 흐르게 하는 다이오드이다.

이러한 특성으로 인해 특정 방향으로 신호를 통과시키거나 차단하는데 사용된다.

주로 전류의 흐름 방향을 제어하는데 사용되며, 전류의 정류나 방향 반정 등에 유용하여

자동차 브레이크 시스템, 전기 모터의 회로 제어, 통신 시스템 등의 분야에서 사용된다.

 

역바이어스에 의해 생성된 공핍층은 비전도성때문에 콘덴서 C의 유전체(절연체)로 작용하고,

P형과 N형 영역은 전도성이 있어 콘덴서의 극판 역할을 한다.

역바이어스 전압의 크기에 따라 공핍층의 고유 정전용량 Cv가 변화되므로 가변 용량(콘덴서) 다이오드라고도 한다.

 

 

 

Cliper Circuit

 

    클리퍼 회로란,

    임의로 정한 기준값(직류 전원을 이용)보다 크거나 작은 신호를 없애는 다이오드 회로이다.

    즉, 필요한 신호만 잘라서 쓸 수 있게 해주는 회로를 말한다.

 

 

Smoothing Circuit(평활 회로)

 

평활회로란,

변환된 전압이나 전류에서 나타나는 리플을 제거하거나 최소화하는 역할을 하는 회로이다.

 

평활용 콘덴서는 전류(물)를 담는 물통으로 볼 수 있고,

물통의 크기가 용량에 해당하므로 용량을 키우면 리플(Ripple)도 작아진다.

마찬가지로 전류가 방전되는 경로인 저항(R)의 크기를 키우면 리플도 작아진다.

저항은 회로나 시스템의 부하에 해당하며, 부하전류가 크면 리플도 커진다.

 

cf) Ripple

: 전기나 전자 회로에서 출력으로 나오는 전압이나 전류에서 나타나는 작은 변동을 의미한다.

  이 변동은 주기적으로 반복되며, 교류(AC)에서 주로 발생한다.

<평활용 Cap 변경>

List 47u 100u 470u(커질수록 리플 작아짐)

<부하 저항 R 변경>

List 100 1k 10k(커질수록 리플 작아짐)

 

Full-wave rectifier Circuit(전파 정류 회로)

 

전파 정류는 (-) 입력알 때도 맥류를 형성하기 때문에 Ripple 주파수가 반파 정류 방식보다 2배 높다.

(전파는 반파보다 더 작은 리플들이 2배 많이 발생한다.)

입력 전원의 위상이 +이든 -이든 부하(out)에는 항상 +전위(Positive 맥류)가 걸리게 된다.

 

smoothing circuit과는 다른 개념이니 혼동하지 말 것.

smoothing circuit은 출력 신호의 리플을 줄이는데 사용되고,

rectifier circuit은 교류 신호를 직류로 변환하는 데 사용된다.

 

 

List 0 100u(C가 클수록 리플이 감소한다.)

 

 

ESD

 

ESD란?

Electro Static Discharge의 약자이며, 흔히 정전기라 부른다.

전기적 전위체(Electrical Potential Body) 사이에서의 접촉이나 마찰 등으로 인한 전하(Charge)의 급격한 이동에 의해 생기는

과도적 전기적 현상을 의미하며, 인체와 기기 혹은 기기와 기기간의 순간 정전기(Static Charge)의 이동이라 할 수 있다.

 

※ 정전기 대책의 종류

 

1. Diode 2개를 직렬 구성

가장 일반적으로 적용되는 방식으로, Diode를 직렬로 2개 구성하여 대책하는 회로로서

양(+) 극성의 정전기와 음(-) 극성의 정전기에 대해서 Diode가 각각 역할(On)을 분담하는 형태의 동작 구조를 가진다.

이러한 방식은 IC의 내부회로의 Port(핀)에도 구성된다.

 

2. TVS(Transient Voltage Suppression)

제너 다이오드 두 개를 마주보게 구성한 방식의 등가적 회로를 가지며,

순방향에서는 일반적인 다이오드의 Turn-on 특성(Vf = 0.6~0.7V)을 가지며 역방향에서는 

Breakdown을 일으켜 역방향으로 급격히 Turn-on되는 특성을 이용한 반도체 소자이다.

 

3. Varistor(Variable Resistor)

소자 양단에 걸리는 전압 값에 따라 저항 값이 급격히 변화되는 특성을 가지며,

소자의 구성물은 ZnO(산화 아연)이 주를 이루는 화합물 반도체 소자이다.

정격전압(회로 전압)에서는 절연체 (500㏁ 이상) 절연 저항이 유지되나 순간 과전압 발생 시,

수 mΩ 이하의 도체로 저항값이 급격하게 감소하는 특성을 가진다

 

Diode를 이용한 ESD 대책

 

Diode 방식에서 Clamping 전압이 삼각형 모양을 형성하는 것은

Diode의 Turn-On 저항(Rs)값에 기인한다.

따라서 Rs를 1mΩ으로 줄이면, Clamp 전압이 평탄하게 된다.

즉, ESD용 Diode는 응답속도가 빨라야 하고 Rs가 작아야 한다.

 

 

TVS를 이용한 ESD 대책

TVS Diode는 두 개의 제너 다이오드를 마주보게 직렬 구성한 소자로써,

회로를 정전기로부터 보호하기 위해 적용하는 소자로 대책이 필요한 지점과 접지간에 구성하고

Uni-direction, Bi-direction 두 가지 형태가 있다.