[기초전자회로실험] 6. 클리퍼 회로

[기초전자회로실험] 6. 클리퍼 회로

1. 실험목적

직렬, 병렬 클리퍼 회로의 출력 전압을 계산하고 측정한다.

2. 실험이론

클리퍼는 인가되는 신호의 특정한 부분을 잘라 버리는 것이다. 이러한 과정은 저항과 다이오드의 조합 회로로 나타낼 수 있고, 건전지를 사용하여 인가 전압에 부가적인 상하 이동을 제공할 수 있다. 구형파 입력에 대한 클리퍼 회로는 각 레벨이 직류전압으로 간주되어 해석하기가 쉽다.

정현파와 삼각파 입력에 대해서는 순간적인 값들을 직류값으로 보고 출력을 결정할 수 있다.

(정현파 입력에 대한 클리퍼 회로의 출력)

클리퍼 회로는 먼저 키르히호프 전압법칙을 적용하고, 다이오드가 ON, OFF일 조건을 따진 다음, ON일 때의 출력, OFF일 때의 출력을 구한다.

3. 실험

1) 사용장비 및 부품

오실로스코프, DMM, \(2.2\text{k}\Omega\)저항, 실리콘 다이오드, 게르마늄 다이오드, \(1.5\text{V}\)건전지, 함수발생기

2) 실험

무릎전압

DMM의 다이오드 점검 기능 또는 커브 트레이서를 이용하여 실리콘 다이오드와 게르마늄 다이오드의 무릎전압을 측정한다. 이때 반올림 하여 소수 둘째 자리까지 표시하고, 측정을 할 수 없다면 실리콘 다이오드의 무릎전압 \(V_{k}=0.7\text{V}\), 게르마늄 다이오드의 무릎전압 \(V_{k}=0.3\text{V}\)이라고 한다.

직렬 클리퍼 회로

(1) 다음 그림과 같이 회로를 구성하고, 저항 \(R=R_{\text{meas}}\)과 건전지 전압 \(E=E_{\text{meas}}\)을 측정한다. 함수발생기를 이용하여 입력 신호를 구형파, 주파수는 \(1\text{kHz}\), 크기는 \(8V_{p-p}\)가 되도록 설정한다.

(2) 실험 (1)에서 측정한 \(R,\,E\)의 값과 무릎전압 측정값 \(V_{k}\)를 이용하여 \(V_{i}=4\text{V}\)의 시간 간격에서 출력 전압 \(V_{o}\)레벨을 계산한다.

(3) \(V_{i}=-4\text{V}\)인 시간 간격에서 실험 (2)를 반복한다.

(4) 수평축을 \(V_{o}=0\text{V}\)로 보고, 실험 (2), (3)의 결과를 이용하여 예측되는(이론적인) \(v_{o}\) 파형을 그린다. 이때, 수직 감도는 \(2\text{V/cm}\), 수평 감도는 \(0.2\text{ms/cm}\)을 사용한다.

(5) 실험 (4)의 감도를 이용하여 오실로스코프에서 구형파 입력을 확인하고, 오실로스코프에 나타난 출력 파형 \(v_{o}\)를 그린다. 결합 스위치를 GND 위치에 놓고 \(v_{o}=0\text{V}\) 수평선이 잘 설정되었음을 확인한 후, 입력과 출력 파형을 볼 때는 결합 스위치를 DC위치에 놓는다. 또한 오실로스코프에 나타난 출력 파형을 실험 (4)의 파형과 비교한다.

(6) 실험하는 회로에서 건전지 방향을 반대로 하고, \(R,\,E\), 무릎전압 측정값 \(V_{k}\)를 이용하여 \(V_{i}=4\text{V}\)인 시간 간격에서 출력 전압의 레벨 \(V_{o}\)를 계산한다.

(7) \(V_{i}=-4\text{V}\)인 시간 간격에서 실험 (6)을 반복한다.

(8) 수평축을 \(V_{o}=0\text{V}\)로 보고, 실험 (6), (7)의 결과를 이용하여 예측되는 \(v_{o}\)의 파형을 그리는데 수직 감도는 \(2\text{V/cm}\), 수평 감도는 \(0.2\text{ms/cm}\)을 이용한다.

(9) 실험 (8)에서 제공된 감도를 사용하여 구형파 입력에 대한 출력 파형을 오실로스코프로 확인하고, 그린다. 결합 스위치를 GND위치에 놓고, 수평선이 \(v_{o}=0\text{V}\)로 잘 설정되었음을 확인한 후, 입력과 출력 파형을 볼 때는 DC 위치에 놓는다. 또한 실험 (8)의 파형과 비교한다.

정현파 입력에 대한 직렬 클리퍼 회로

(1) 다음과 같이 회로를 구성하는데 입력은 정현파 신호이고, 함수발생기에 주파수는 동일하게 \(1\text{kHz}\), 크기는 \(8\text{V}_{p-p}\)로 설정한다. 또한 저항 \(R=R_{\text{meas}}\)과 건전지의 전압 \(E=E_{\text{meas}}\)를 DMM으로 측정한다.

(2) 예측되는(이론적인) 출력 \(v_{o}\)의 파형을 그리고, 특히 입력신호가 양의 피크, 음의 피크, 0일 때, 출력전압 \(V_{o}\)의 파형을 그린다. 이때, 수직 감도는 \(1\text{V/cm}\), 수평 감도는 \(0.2\text{ms/cm}\)을 사용한다.

(3) 실험 (2)의 감도를 사용하여 오실로스코프에서 정현파 입력을 확인하고, 오실로스코프에 나타난 출력 파형 \(v_{o}\)를 그린다. 파형을 보기 전에 결합 스위치를 GND에 놓고, 수평선이 \(v_{o}=0\text{V}\)로 잘 설정되었음을 확인한다. 또한 실험 (2)의 파형과 비교한다.

병렬 클리퍼 회로

I

(1) 다음과 같이 회로를 구성한다. 저항값 \(R=R_{\text{meas}}\) 과 건전지의 전압 \(E=E_{\text{meas}}\)를 DMM으로 측정한다. 함수발생기를 이용하여 입력 신호를 구형파, 주파수는 \(1\text{kHz}\), 크기는 \(8\text{V}_{p-p}\)가 되도록 설정한다.

(2) 저항과 건전지 전압 \(R,\,E\)와 무릎전압 측정값 \(V_{k}\)를 이용하여 \(4\text{V}\)의 구형파가 입력 될 때, 출력 전압 \(V_{o}\)를 계산한다.

(3) \(-4\text{V}\)의 구형파가 입력될 때, 실험 (2)를 반복한다.

(4) 수평축을 \(V_{o}=0\text{V}\)로 보고, 실험 (2), (3)의 결과를 이용하여 예측되는(이론적인) \(v_{o}\)파형을 그린다. 이때 수직 감도는 \(1\text{V/cm}\), 수평 감도는 \(0.2\text{ms/cm}\)을 사용한다.

(5) 실험 (4)의 감도를 이용하여 오실로스코프로 구형파 입력을 확인하고 출력 파형 \(v_{o}\)를 그린다. 결합 스위치를 GND위치에 놓고 수평선이 \(v_{o}=0\text{V}\)으로 잘 설정되었음을 확인한 후, 출력 파형을 볼 때는 DC 위치에 놓는다. 또한 실험 (4)의 파형과 비교한다.

(6) 실험하는 회로에서 건전지를 반대로 하고, 저항 \(R\)과 건전지 전압 \(E\)의 측정값, 무릎전압 측정값 \(V_{k}\)를 이용하여 \(V_{i}=4\text{V}\)인 시간 간격에서 출력 전압의 레벨 \(V_{o}\)를 계산한다.

(7) \(V_{i}=-4\text{V}\)인 시간 간격에서 실험 (6)을 반복한다.

(8) 수평축을 \(V_{o}=0\text{V}\)로 보고, 실험 (6)과 (7)의 결과를 이용하여 예측되는(이론적인) \(v_{o}\)파형을 그린다. 이때 감도는 실험 (4)의 감도로 사용한다.

(9) 주어진 구형파 입력에 대한 출력을 오실로스코프로 확인하고, 그 파형을 그린다. 결합 스위치를 GND에 놓고 수평선이 \(v_{o}=0\text{V}\)로 잘 설정되었음을 확인한 후, 출력 파형을 볼 때는 DC 위치에 놓는다. 또한 실험 (8)의 파형과 비교한다.

II

(1) 다음과 같이 회로를 구성한다. 저항 \(R=R_{\text{meas}}\)의 값을 측정하고, 함수발생기를 이용하여 입력신호를 구형파, 주파수는 \(1\text{kHz}\), 크기는 \(4\text{V}_{p-p}\)가 되도록 설정한다.

(2) 계산된 무릎전압 \(V_{k}\)의 값을 이용하여 \(V_{i}=2\text{V}\)의 시간 간격에서 출력전압의 레벨 \(V_{o}\)를 계산한다.

(3) \(V_{i}=-2\text{V}\)인 시간 간격에서 실험 (2)를 반복한다.

(4) 수평축을 \(V_{o}=0\text{V}\)로 보고, 실험 (2), (3)의 결과를 이용하여 예측되는(이론적인) \(v_{o}\)파형을 그린다. 선택한 수직, 수평 감도를 기록한다.

(5) 실험 (4)의 감도를 사용하여 오실로스코프에서 구형파 입력을 확인하고, 그 파형을 그린다. 결합 스위치를 GND에 놓고 수평선이 \(v_{o}=0\text{V}\)로 잘 설정되었음을 확인한 후, 출력 파형을 볼 때는 DC 위치에 놓는다. 또한 실험 (4)의 파형과 비교한다.

정현파 입력에 대한 병렬 클리퍼 회로

(1) 다음과 같이 회로를 구성하는데 입력은 정현파 신호이고, 함수발생기에 주파수는 동일하게 \(1\text{kHz}\), 크기는 \(8\text{V}_{p-p}\)가 되도록 설정한다. 또한 저항 \(R=R_{\text{meas}}\)과 건전지 전압 \(E=E_{\text{meas}}\)를 DMM으로 측정한다.

(2) 예측되는(이론적인) 출력 \(v_{o}\)의 파형을 그리고, 특히 입력신호가 양의 피크, 음의 피크, 0일 때의 출력 전압 \(V_{o}\)를 계산한다. 선택한 수직, 수평 감도 또한 기록한다. 

(3) 실험 (2)의 감도를 사용하여 오실로스코프에서 정현파 입력을 확인하고, 출력 파형 \(v_{o}\)를 그린다. 결합 스위치를 GND에 놓고 수평선이 \(v_{o}=0\text{V}\)으로 잘 설정되었음을 확인한다. 또한 실험 (2)의 파형과 비교한다.

(Pspice)를 이용한 병렬 클리퍼 회로의 해석

다음은 Pspice를 이용하여 구형파 입력에 대한 병렬 클리퍼 회로의 출력 파형을 구한 것이다.

(실행 전)

(실행 후)

(입력 파형(녹색)과 출력 파형(빨간색))

참고자료:

Laboratory manual to accompany Electronic Devices and Circuit Theory 11th edition, Boylestad, Nashelsky, Monssen, Pearson

Electronic Devices and Circuit Theory 11th edition, Boylestad, Nashelsky, Pearson

http://mimoza.marmara.edu.tr/~deniz.ozenli/lab2.pdf