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1. 서론
1.1. 신호발생기 Oscillator의 소개
신호발생기 Oscillator는 전자전기공학 분야에서 널리 사용되는 중요한 장치이다. Oscillator는 정확한 크기와 주기를 갖는 주기적인 신호를 생성할 수 있어 다양한 전자 회로와 시스템에서 활용된다.
Oscillator는 증폭기와 피드백 회로로 구성된다. 증폭기에 적절한 크기의 피드백 신호를 입력하면 발진이 일어나 주기적인 출력 신호가 생성된다. 이때 증폭기로는 연산 증폭기(OP AMP)가 주로 사용되며, 피드백 경로에는 저항과 커패시터로 구성된 RC 회로가 포함된다.
OP AMP를 사용하여 Positive feedback 방식으로 구현한 Oscillator 회로는 사각파 신호를 생성할 수 있다. OP AMP의 비반전 입력에는 일정한 기준 전압을 인가하고, 반전 입력에는 RC 회로를 통한 피드백 신호를 인가한다. 이렇게 구성된 회로에서는 Positive feedback이 발생하여 출력 신호가 사각파 형태로 발진하게 된다. 이러한 사각파 Oscillator는 디지털 회로 및 타이밍 신호 생성 등에 널리 활용된다.
1.2. OP AMP와 Positive feedback을 통한 사각파 발생
OP AMP와 Positive feedback을 통한 사각파 발생은 신호발생기 Oscillator 회로 구현의 핵심 원리이다.
Oscillator 회로는 OP AMP의 Inverting 입력단과 출력단을 양의 되먹임(Positive feedback)으로 연결하여 사각파를 발생시킨다. Inverting 증폭기 구조에 RC 네트워크를 연결하여 출력 신호를 입력 신호로 피드백시키면, 전압 비교기 회로와 비슷한 동작을 하면서 지속적으로 사각파를 발생시킬 수 있다.
먼저 OP AMP의 출력전압 VO가 양의 전압인 L+ 상태라고 가정하자. 이 때 비반전 입력단 V+는 VO와 피드백 저항 R1, R2에 의해 V+=βVO가 된다. 반전 입력단 V-는 RC 네트워크에 의해 서서히 증가하여 마침내 V-=βVO가 되면, OP AMP의 출력이 L-로 반전된다.
그러면 OP AMP의 출력전압 VO가 L-로 떨어지고, V+는 또한 V+=βVO로 떨어진다. 반면 V-는 C가 방전되면서 서서히 감소하다가 다시 V-=βVO가 되면 출력이 다시 L+로 반전된다. 이러한 과정이 지속적으로 반복되면서 사각파가 발생하게 된다.
이 때 피드백 계수 β는 β=R1/(R1+R2)로 주어지며, 이 값에 따라 사각파의 진폭과 주기 특성이 변화한다. 또한 RC 시정수에 의해 결정되는 충전/방전 시간이 사각파의 상승/하강 시간에 해당한다.
이와 같이 OP AMP와 Positive feedback을 이용하면 간단한 회로 구성으로도 안정적인 사각파를 발생시킬 수 있다. 이러한 Oscillator 회로는 클록 신호 생성, 타이밍 제어 등 다양한 전자 시스템에 활용되고 있다.
2. Oscillator 회로의 설계 및 구현
2.1. R1, R2, R, C 값 선정
R1, R2, R, C 값 선정은 Oscillator 회로 설계에 있어 매우 중요하다. 제공된 문서에 따르면 R1=R2=1kΩ, R=957Ω, C=0.47uF으로 Oscillator를 설계하였다.
이 값들은 다음과 같은 이유로 선정되었다. 먼저 R1과 R2를 1kΩ으로 선정한 것은 피드백 계수 β를 0.5로 만들기 위함이다. β는 R1/(R1+R2)로 계산되며 이 때 R1=R2=1kΩ이면 β=0.5가 된다. 피드백 계수 β는 Oscillator의 주파수와 출력 진폭에 직접적인 영향을 미치므로 적절한 값 선정이 필요하다.
다음으로 저항 R은 957Ω으로 선정되었는데, 이는 주기 T1과 T2가 각각 0.5ms가 되도록 하기 위함이다. Oscillator의 주기는 T=RC*ln[(1+β)/(1-β)]로 계산되므로, R과 C값을 적절히 선정하여 원하는 주기를 구현할 수 있다.
마지막으로 커패시터 C는 0.47uF로 선정되었다. C값과 R값을 곱한 RC시정수가 Oscillator의 주파수와 파형에 영향을 미치므로, 앞서 결정한 R값과 함께 C값을 0.47uF로 선정한 것으로 보인다.
이처럼 R1, R2, R, C 값은 Oscillator의 동작 특성을 결정하는 핵심 요소이다. 설계 목표에 맞게 이들 파라미터를 적절히 선정하는 것이 매우 중요하다...
