Lecture 12. Limiters and Voltage Doubler

Limiting Circuit

 

우선 위의 회로에서 Vin과 Vout을 생각해보자. Vin이 음의 값인 경우 D1이 open이 된다. 그렇게 되면 전류가 흐르지 않으므로 R1에 전압이 0이다. 이를 KVL을 이용하면 -Vin+Vout=0이라는 관계를 얻을 수 있다. 그럼 D1이 short 상태가 되려면 Vin이 양의 값일 때 Vd,on이 되면 short 상태가 된다. 그럼 short 상태가 되면 constant model로 생각하면 Vout=Vd,on(constant)라는 관계식을 얻을 수 있고 그 결과 위와 같은 그래프 결론을 얻을 수 있다. 즉 위의 회로를 이용하면 Vin이 Vd,on 이상의 값을 갖게 되면 일정한 전압으로 제한을 둘 수 있는 회로가 된다.

 

그럼 Vin이 sine 파형이라고 가정하여 위의 회로에 입력하면 아래와 같은 결과를 얻을 수 있다.

 

그럼 D1을 반대로 연결해주면 음의 값에서의 limiting이 생길것임을 생각해 볼 수 있다.

 

Voltage Doubler

이 회로는 말그대로 전압을 증폭시켜주는 회로이다. 그럼 회로를 이해하기 전에 필요한 개념들을 생각해보자.

 

Observation

1) capacitor를 충전하려면 한쪽에는 +를 반대쪽에는 -을 연결시켜주어야 한다.

2)그럼 이번에는 아래 회로처럼 open 상태일때 Vout을 생각해 보려 한다.

 

이처럼 open 상태에서는 C1이 당연히 충전이 안될 것이다.그럼 이상태에서 Vin이 아래 같은 pulse 라고 가정했다.

Vin

그럼 C1이 0V이고 회로가 open 상태일때 Vout은 당연히 Vin을 따라서 변하는 위와 똑같은 결과를 보일 것이다.

 

3)

이번에는 위와 같이 C1과 C2가 있는 회로를 생각해보자. 그럼 여기서 Vout을 구하려면 Cap을 임피던스 꼴로 나타내면 계산하기 쉽다. 그럼 이를 바탕으로 voltage divider 느낌으로 계산해주면 아래와 같다.

 

 

4)

이번에는 limiting circuit에서 저항을 capacitor로 바꾼 회로를 생각해 보자.

여기서 다이오드는 편하게 생각하기 위해 ideal한 다이오드를 생각해 볼 것이다. 우선 아래가 결과 그래프이다.

우선 t1까지는 D1이 short 상태로 Vout=0이 나오게 된다. 그리고 이때 C1이 점점 충전이 되는 단계이다. t1이후에 Vin의 전압이 감소하게 되면 C1의 충전된 전압으로 인해 D1의 anode 부분의 전압이 Vin의 값보다 낮아지면서 D1의 전압이 open 상태가 된다. 즉 이제는 Vout이 Vin과 같아지게 되고 그 결과 같은 개형이 t1에서부터 그려지게 된다. 그 결과 원래 Vin의 저점이 -Vo라고 하면 Vout은 -2Vo로 double이 된 결과를 확인할 수 있다.

 

그럼 이번에는 다이오드를 반대로 연결했을 때를 생각해보자.

 

이번에도 크게 다를 건 없다. 결과적으로 아래와 같은 그래프 개형을 그리게 된다.

처음에는 D1이 open 상태로 Vin=Vout 형태로 나타난다. Vin이 음수가 되면 D1이 short 상태가 됨으로 Vout=0이된다. 이때 C1은 전류가 흐르면서 t2에서 -Vo까지 충전이 된다. 그럼 이 이후에 Vin이 증가하면 C1의 전압으로 인해 D1이 다시 OPEN이 되면서 Vin=Vout이 되고 이번에는 최대 2Vo라는 결과를 얻게 된다.

 

Voltage Doubler

 

그럼 이제 본격적으로 Voltage doubler에 대해 이야기해보자.

 

Voltage Doubler

이 회로가 바로 voltage doubler이다. 결과를 보자면 아래와 같은 그래프가 나오게 된다.

해석의 편의를 위해 Vin을 음수일 때부터 볼 것이다. 0에서 t1까지를 보면 Vin이 음수임으로 D1이 short 상태가 되고 D2는 open 상태가 되어 아래와 같이 회로가 그려진다. 

 

이 상태에서 C1이 -Vo로 충전이 된다. 이 상태에서 Vin이 -Vo를 찍고 전압의 값이 증가하게 되는데 C1이 -Vo로 충전된 상태임으로 A node에서 양의 값의 전압이 생기게 되고 그 결과 D2가 short가 된다. 그 결과 아래와 같은 회로를 그리게 된다.

이 상태에서는 C1과 C2가 voltage divider와 비슷한 관계로 나타남을 앞서 확인했다. 이 상태에서 C1=C2로 가정하면 전압의 변화가 원래 t1에서 t2 까지 2Vo 만큼 변해야 하는데 1/2배인 Vo만 변하게 된다. 그리고 C1이 -Vo 만큼의 전압이 충전되어 있으므로 Vin(t=t1)+Vo에서 값의 증가가 시작된다. 여기서 C1이 방전이 되지 않는 이유는 방전할 대상이 없기 때문이다. 예를 들어 저항이 존재 했다면 C1의 전압 값이 방전으로 인해 감소하는 것도 고려해야 한다. 

이제 Vin이 다시 감소하는데 C2가 Vo로 충전이 되어 있고 값이 줄어들면서 D2가 reverse bias가 된다. 그 결과 아래와 같은 회로 상태가 된다. 

D1 D2 모두 open 상태로 전류가 흐르지 않고 C2는 Vo로 충전된 상태임으로 이 값을 유지하게 된다. 

이제 다시 D1의 전원이 0<t<t1에서 처럼 연결되고 위의 과정이 반복되는데 다시한번 voltage divider가 사용되면서 이번에는 Vo가 상승하는것이 아닌 1/2 만큼만 상승하게 된다. 

 

Level Shift

 

이 회로는 평행이동을 말한다. 우선 회로는 아래와 같다.

회로를 보면 이번에는 constant model을 이용하고 있다. Vout=Vin-Vd,on의 꼴로 위와 같이 Vout 개형이 나타난다. 그럼 여기서 I1을 왜 연결했을까?

이는 전류원으로 D1에서 I1 만큼의 전류가 흘러야 한다. 그러므로 D1이 전류가 흘러야 됨으로 short 상태가 유지된다.

 

Lecture 12.pdf

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V/R

 

윤