본문내용
1. 실험 목적
1.1. Comparator 회로 구성 및 동작 원리 확인
Comparator 회로는 작동 원리가 매우 간단하지만, 다양한 응용 분야에서 널리 사용되는 중요한 전자 회로이다. Comparator 회로는 두 개의 입력 전압을 비교하여 출력 전압의 극성이 결정되는 특성을 가진다. 즉, 입력 전압 V1과 V2를 비교하여 V1이 V2보다 크면 양의 포화 상태로, V1이 V2보다 작으면 음의 포화 상태로 출력된다.
이상적인 Comparator 회로에서는 V1 > V2이면 출력 전압 Vout이 무한대의 양의 값으로, V1 < V2이면 출력 전압 Vout이 무한대의 음의 값으로 나타난다. 하지만 실제 OP-AMP를 사용한 Comparator 회로에서는 전압 이득이 무한대가 아니기 때문에, 출력 전압 Vout은 양의 전원 전압(VCC) 또는 음의 전원 전압(VEE) 사이의 값으로 제한된다.
이처럼 Comparator 회로는 두 입력 전압을 비교하여 출력 전압의 극성을 결정하는 회로로, 스위칭 동작, 트리거 회로, 과전류 보호 회로 등 다양한 응용 분야에서 활용된다. Comparator 회로는 전압 비교기의 역할을 수행하여 디지털 논리 회로와 아날로그 회로를 연결하는 중요한 인터페이스 역할을 한다.
1.2. Comparator 응용 회로 구성 및 동작 원리 확인
Comparator 회로는 비교기 역할을 하는 OP-Amp를 이용한 회로로, 두 입력 전압의 크기를 비교하여 출력 전압을 결정한다. 이러한 Comparator 회로는 다양한 응용 분야에서 활용될 수 있다.
실험 2에서는 Comparator 응용 회로를 구성하여 그 동작 원리를 확인하였다. 그림 4와 같이 전압 분배기를 가변저항으로 구성하여 Vin을 변화시키며 Vout의 변화를 관찰하였다.
가변저항을 조절하여 Vin을 변화시키면, Vin이 0V보다 작을 때는 Vout이 음의 전압으로 출력되어 LED가 켜지지 않는다. 반면 Vin이 0V보다 크면 Vout이 양의 전압으로 출력되어 LED가 켜진다. 이는 Comparator 회로가 Vin과 기준 전압(0V)을 비교하여 출력 전압을 결정하는 것을 보여준다.
따라서 Comparator 응용 회로는 기준 전압과 입력 전압을 비교하여 디지털 출력 신호를 생성할 수 있으며, 이를 이용해 LED와 같은 부하를 스위칭 제어할 수 있다. 이는 디지털 제어 및 신호 처리 분야에서 다양하게 활용될 수 있다.
1.3. Photo Detector 제작 및 특성 확인
'Photo Detector 제작 및 특성 확인'은 광검출기를 제작하고 그 특성을 알아보는 것을 목적으로 진행되었다. 광검출기는 광신호를 전기적 신호로 변환하는 역할을 하는 소자로, 적외선 발광 다이오드에서 나온 빛을 수광 다이오드가 받아 전류를 발생시키고 이를 전압으로 변환하는 회로로 구성되어 있다.
실험에서는 먼저 그림 5와 같은 회로를 구성하였다. Vin을 10V, V(TR)을 5V로 두고 LED와 photoTR 사이의 거리를 변화시키며 Vout의 변화를 관측하였다. 이때 주변광의 영향을 최소화하기 위해 회로를 가리고 LED와 TR의 각도를 일정하게 유지하였다. IR LED의 발광 여부는 스마트폰 카메라를 통해 확인하였다. 거리를 일정하게 유지한 상태에서 Vin을 변화시키며 Vout의 변화도 측정하였다.
그 결과, 발광 다이오드와 수광 트랜지스터 사이의 거리가 가까워질수록 Vout이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 거리가 가까워질수록 수광 트랜지스터가 받는 광량이 증가하여 발생하는 전류가 커지기 때문이다. 반면 거리를 일정하게 유지한 상태에서 Vin을 변화시킬 때는 Vin이 증가할수록 Vout도 비례하여 증가하는 것을 관찰할 수 있었다. 이를 통해 광검출기의 출력 전압은 광량에 비례하여 변화한다는 것을 알 수 있었다.
이어서 그림 6과 같은 회로를 구성하여, 발광 다이오드와 수광 트랜지스터 간 거리 변화에 따른 Vout, TR 양단 전압 VTR, R1 양단 전압 VR, 그리고 R1과 VR로부터 계산한 IR의 변화를 측정하였다. 거리를 일정하게 유지한 상태에서는 Vin 변화에 따른 동일한 변화를 관찰할 수 있었다.
이를 통해 광검출기의 특성을 확인할 수 있었다. 수광 트랜지스터에 입사되는 광량이 증가할수록 트랜지스터에 발생하는 전류가 증가하고, 이에 따라 R1 양단의 전압 VR도 증가한다. 따라서 입력 광량에 비례하여 출력 전압 Vout이 변화하는 것을 알 수 있었다. 이러한 광검출기의 특성은 다양한 광센서 응용 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
1.4. Current to Voltage Converter 구성 및 특성 확인
Current to Voltage Converter는 전류를 전압으로 변환하는 회로이다. 이는 Transimpedance Amplifier라고도 불리며, 광다이오드나 기타 센서에서 발생하는 낮은 전류를 증폭하여 측정하기 쉬운 전압으로 변환하는 데 활용된다.
그림 6과 같은 회로를 구성하여 실험을 진행하였다. 사진 검출기로 사용된 photoTR에 일정한 5V의 입력 전압 Vin을 인가하고, photoTR과 LED 사이의 거리 변화에 따른 출력 전압 Vout, photoTR 양단 전압 VTR, 그리고 저항 R1 양단 전압 VR을 측정하였다. 이를 통해 전류 IR을 계산할 수 있다.
거리를 일정하게 유지한 상태에서 Vin을 변화시키며 위 값들의 변화를 관찰하였고, 다시 거리를 변화시켜 동일한 측정을 반복하였다.
측정 결과, photoTR과 LED 사이의 거리가 가까워질수록 Vout, VTR 및 IR이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 거리가 가까워질수록 photoTR에 입사되는 광량이 증가하여 발생되는 광전류가 커지기 때문이다.
또한 Vin을 증가시키면 Vout, VTR 및 IR이 함께 증가하는 것으로 나타났다. 이는 입력 전압 증가에 따른 발광 다이오드의 광 출력 증가로 인해 photoTR에 입사되는 광량이 늘어나기 때문이다.
종합하면, Current to Voltage Converter 회로는 입력 전류를 전압으로 변환하여 측정하기 쉽게 해주는 역할을 한다. photoTR과 LED 사이의 거리와 LED 입력 전압 변화에 따른 출력 전압 변화를 통해 회로의 동작 특성을 확인할 수 있었다.
2. 실험 이론
2.1. Comparator
비교기(Comparator)는 두 개의 입력 전압을 비교하여 출력 전압을 결정하는 회로이다. 이상적인 OP-amp를 사용한 비교기에서는 입력 전압 V1과 V2의 차이에 따라 출력 전압이 결정된다. 구체적으로 V1이 V2보다 크면 출력 전압은 양의 최대값이 되고, V1이 V2보다 작으면 출력 전압은 음의 최대값이 된다.
실제 OP-amp를 이용한 비교기에서는 출력 전압의 한계가 전원 전압 VCC와 VEE 사이에 존재하므로, V1이 V2보다 크면 출력 전압은 VCC로, V1이 V2보다 작으면 출력 전압은 VEE로 결정된다. 이러한 특성 때문에 비교기는 입력 전압의 크기를 비교하는데 매우 유용하게 사용된다.
비교기는 입력 전압의...
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