[기초전자회로실험] 7. 클램퍼 회로

[기초전자회로실험] 7. 클램퍼 회로

1. 실험목적

클램퍼의 출력 전압을 계산하고 측정한다.

2. 실험이론

클램퍼 회로는 입력 파형의 피크-피크 특성을 변경하지 않고 입력 신호를 특정한 레벨로 고정하도록 하는 회로이다. 클램퍼는 커패시터를 포함하기 때문에 클리퍼와 쉽게 구별할 수 있다. 전형적인 클램퍼 회로의 구성소자는 커패시터, 다이오드, 저항이고, 건전지가 포함될 수 있다. 

클램퍼 회로의 해석은 다음과 같은 순서대로 해석한다:

먼저 키르히호프 전압법칙을 적용하고, 다이오드가 ON, OFF일 조건을 따진 다음, ON일 때의 출력, OFF일 때의 출력을 구한다. 이때 커패시터는 지속적으로 충전되어 안정된 전압 레벨이 유지된다.

클램퍼가 만족해야 하는 특징은 출력 신호의 피크-피크 전압이 인가 신호의 피크-피크 전압과 동일해야 한다는 특징이다. 이 특징을 이용하여 클램퍼 해석을 쉽게 점검할 수 있다.

3. 실험

1) 사용장비 및 부품

오실로스코프, DMM, \(100\Omega,\,1\text{k}\Omega,\,100\text{k}\Omega\), 실리콘 다이오드, \(1\mu\text{F}\) 커패시터, \(1.5\text{V}\)건전지, 함수발생기

2) 실험과정

무릎전압

DMM의 다이오드 점검 기능 또는 커브 트레이서를 이용하여 실리콘 다이오드의 무릎전압을 측정한다. 측정을 할 수 없다면 무릎전압을 \(V_{k}=0.7\text{V}\)으로 가정한다.

저항, 커패시터, 다이오드 조합 클램퍼 회로

(1) 다음 그림과 같이 회로를 구성하고 저항 \(R=R_{\text{meas}}\)를 DMM으로 측정해서 기록한다. 함수발생기를 이용하여 입력 신호를 구형파, 주파수는 \(1\text{kHz}\), 크기는 \(4V_{p-p}\)가 되도록 설정한다.

(2) 측정한 무릎전압값 \(V_{k}\)를 이용하여 다이오드를 ON이 되게 하는 입력 전압 레벨 \(v_{i}\)에 대하여 \(V_{c}\)와 \(V_{o}\)의 값을 계산한다.

(3) 실험 (2)의 결과로부터 입력 전압 \(v_{i}\)를 다른 레벨로 전환하여 다이오드를 OFF시킬 때의 출력레벨 \(V_{o}\)를 계산한다.

(4) 중심 수평축을 \(V_{o}=0\text{V}\)으로 설정하고, 실험 (2), (3)의 결과를 이용하여 입력 \(v_{i}\)의 완전한 한 주기 동안의 예측되는(이론적인) \(v_{o}\)파형을 그리고 선택한 수직, 수평 감도도 기록한다.

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

(6) 실험하는 회로에서 다이오드의 방향을 반대로 하고, 측정된 무릎전압값 \(V_{k}\)를 이용하여 다이오드를 ON이 되게 하는 입력전압 레벨 \(v_{i}\)에 대하여 \(V_{c}\)와 \(V_{o}\)의 값을 계산한다.

(7) 실험 (6)의 결과로부터 입력 전압 \(v_{i}\)를 다른 레벨로 전환하여 다이오드를 OFF시킬 때의 출력레벨 \(V_{o}\)를 계산한다.

(8) 중심 수평축을 \(V_{o}=0\text{V}\)으로 설정하고 실험 (6), (7)의 결과를 이용하여 입력 \(v_{i}\)의 완전한 한 주기 동안의 예측되는(이론적인) \(v_{o}\)파형을 그리고 선택한 수직, 수평 감도도 기록한다.

(9) 실험 (8)의 감도를 이용하여 오실로스코프로 출력 파형 \(v_{o}\)를 확인하고 결과 파형을 그린다. 결합 스위치를 GND에 놓고 수평선이 \(v_{o}=0\text{V}\)로 잘 설정되었음을 확인하고 출력 파형을 볼 때는 스위치를 DC 위치에 놓는다. 또한 실험 (8)의 출력 파형과 비교한다.

건전지를 포함하는 클램퍼 회로

(1) 다음 그림과 같이 회로를 구성한다. 저항값 \(R=R_{\text{meas}}\)과 건전지 전압 \(E=E_{\text{meas}}\)를 측정하고, 함수발생기를 이용하여 입력 신호를 구형파, 주파수는 \(1\text{kHz}\), 크기는 \(4V_{p-p}\)가 되게 한다.

(2) 측정한 무릎전압값 \(V_{k}\)를 이용하여 다이오드를 ON이 되게 하는 입력 전압 레벨 \(v_{i}\)에 대하여 \(V_{c}\)와 \(V_{o}\)를 계산한다.

(3) 실험 (2)의 결과로부터 입력 전압 \(v_{i}\)를 다른 레벨로 전환하여 다이오드를 OFF시킬 때 출력 레벨 \(V_{o}\)를 계산한다.

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

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

(6) 실험하는 회로에서 다이오드의 방향을 반대로 하고, 측정된 무릎전압값 \(V_{k}\)를 이용하여 다이오드를 ON상태가 되게 하는 입력 전압 레벨 \(v_{i}\)에 대하여 \(V_{c}\)와 \(V_{o}\)를 계산한다.

(7) 실험 (6)의 결과로부터 입력 전압 \(v_{i}\)를 다른 레벨로 전환하여 다이오드를 OFF시킬 때의 출력 레벨 \(V_{o}\)를 계산한다.

(8) 중심 수평축을 \(V_{o}=0\text{V}\)로 보고, 실험 (6), (7)의 결과를 이용하여 예측되는(이론적인) \(v_{o}\)의 파형을 그린다. 이때 사용한 수직, 수평 감도를 기록한다.

(9) 실험 (8)의 감도를 이용하여 오실로스코프로 출력 파형 \(v_{o}\)를 확인하고, 결과 파형을 그린다. 결합 스위치를 GND 위치에 놓고 수평선이 \(v_{o}=0\text{V}\)로 잘 설정되었음을 확인한다. 출력 파형을 볼 때는 스위치를 DC 위치에 놓는다. 또한 실험 (8)의 파형과 비교한다.

정현파 입력 클램퍼

(1) 다음과 같이 회로를 구성하는데 입력은 정현파 신호이고, 함수발생기에 주파수는 동일하게 \(1\text{kHz}\), 크기는 \(4\text{V}_{p-p}\)로 설정한다. 또한 저항 \(R=R_{\text{meas}}\)을 DMM으로 측정한다.

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

(3) 실험 (2)의 감도를 이용하여 오실로스코프에서 정현파 입력을 확인하고, 출력 파형 \(v_{o}\)를 그린다. 결합 스위치를 GND 위치에 놓고 수평선이 \(v_{o}=0\text{V}\)로 잘 설정되었음을 확인하고, 출력 파형을 보려면 DC 위치에 놓는다.

(Pspice를 이용한 건전지 포함 클램퍼 회로의 해석)

다음은 Pspice를 이용하여 건전지가 포함된 클램퍼 회로의 출력 파형을 구한 것이다.

(실행 전)

(실행 후)

(입력 파형(빨간색)과 출력 파형(녹색))

출력 신호의 피크-피크 전압은 입력 신호의 피크-피크 전압과 동일하다.

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