20160425_김도관_업무일지_디지털제어_회로 기초

Analog와 Digital의 차이

Analog	연속성, Noise에 약함,보안성취약
Digital	불연속성, Noise및 보안이 강함

ADC(아날로그-디지털 변환회로)

변환과정

ADC -> 표본화

        코드화

        양자화 -> Digital

디지털 샘플링  

이산적(離散的)인 신호를 만들기 위해 연속적 신호(아날로그)에서 얻어진 단위시간(주로 초)당 샘플링 횟수를 정의한다.

 http://www.mully.net/lee/2015/digital_sampling/ 이미지 참고

전류, 전압, 저항

전류	Current	A
전압	Voltage	V
저항	Resistor	전류흐름 방해

직렬병렬 차이 

 V(전압)=I(전류)*R(저항)

병렬일때 전압과 전류의 세기는 동일하지만 방전시간은 직렬보다 느리다

직렬일때 전압은 2개의 전압을 더한합과 같고 전류의 세기가 늘어나지만 방전시간은 병렬보다 빠르다

직렬,병렬 저항

각 저항에는 같은 전압이 걸리고 전원의 전압과 같다. 전원에서 흐르는 전류는 각 저항을 흐르는 전류의 합과 같다.

저항에는 같은 전류가 흐르고, 전압은 전원의 전압이 분배된 일부가 걸린다

회로설계

1.전자부품의 스펙 확인( 최대,구동전압 등등)

2.회로 설계

3.Artwork(초벌)

4.Debugging

5.Artwork

플로팅 (floating)

 칩에 입력을 5V 또는 0V를 가한다. 하지만 입력을 가하지 않는 경우는 칩 자체에서는 5V를 입력하였는지 1V를 입력하였는지 모른다. 이런 문제에 의하여 오작동이 발생할 수 있다. 이런 상태를 플로팅되었다라고 한다. 플로팅 상태는 잡음에 매우 취약해지므로 시스템이 불안정해진다. 이를 해결 하기 위해서 풀업 / 풀다운 저항을 사용하게 된다.

풀업 저항 (Pullup resistor)

풀업 저항을 사용한다면 스위치가 열려 있을 때 칩에는 항상 5V의 전압이 가해진다. 따라서 회로에 입력을 몰라도 항상 5V의 전압을가진 상태가 된다. 스위치를 닫는다면 그라운드 쪽으로 전류가 흐르게 되며 회로의 전압은 0V가 되며, 1을 입력한 것으로 인식하게 된다. 핀을 높은 저항에 매달아 둔다는 뜻에서 '풀 업 저항'이라 한다.

풀다운 저항 (Pulldown resistor)

회로는 5V의 전압을 받으면 1로 인식하고, 0V의 전압을 받으면 0으로 인식한다. 스위치가 열려있는 상태에서 그라운드와 연결되어 있으므로 전류가 항상 그라운드로 흐르게 되어 0V가 된다. 스위치를 닫게되면 소량의 전류가 저항을 통해 그라운드로 흘러 나가지만 많은 양의 전류가 회로(핀)로 흘러 5V가 된다. 따라서 1이 입력된 것으로 인식한다. 항상 그라운드에 묶어둔다는 의미에서 '풀 다운 저항' 이라 한다.

슈미트 트리거

파형 정형 회로. 즉, 디지털 회로에서 "1"(High=5V)와 "0"(Low=0V)신호로 전달되는 것이 아니라, 

잡음이 섞여서 신호가 전달되게 된다. 이러한 잡음이 섞인 신호를 디지털에서 사용할 수 없기 때문에 슈미트

트리거라는 소자를 사용해서 정확한 디지털 신호인 Hihg, Low 신호를 출력해 줄수 있게 하는 것이다. 그림은 슈미트 

트리거 회로를 통과후의 파형의 변화를 나타낸 것이고 맨 아래 그림은 실제 슈미트 트리거 회로를 보여 주고 있다.

슈미트트리거 회로는 전압 레벨의 검출, 파형의 정형 등에 쓰이며. 위 슈미트 트리거 회로에 대해서 동작은 아래의 설명 참고

Tr_1

 

의 베이스 전위가 낮을 때에

Tr_1

 

은 OFF,

Tr_2

 

는 ON이 되어 있고,

R_E~

 

에는

Tr_2

 

의 에미터 전류가 흘러,

Tr_1

 

의 에미터 전위가 높아져서,

Tr_1

 

이 OFF가 된다. 또,

Tr_1

 

의 콜렉터가 고전위이기 때문에,

R_k~

 

를 통하여

Tr_2

 

에 베이스 전류가 흘러,

Tr_2

 

가 ON이 되어,

Tr_1

 

은 OFF, 결국

Tr_2

 

는 ON의 안정상태에 있게 된다.

여기서 입력전압이 서서히 증가하여,

(V_BE + V_E )

 

를 넘었을 때,

Tr_1

 

의 베이스 전류가 흐르기 시작하여, 콜렉터 전압이 내려가기 시작하면,

Tr_2

 

의 베이스 전류가 감소하고, 에미터 전류도 감소한다. 때문에,

Tr_1

 

의 에미터 전압이 내려가기 시작하여,

Tr_1

 

의 베이스 전류는 급속히 증가하게 된다.

이와같은 정궤환 작용에 의해 순간적으로

Tr_1

 

이 ON,

Tr_2

 

가 OFF로 상태가 반전된다. 이 상태에서 이번에는

Tr_1

 

의 에미터 전위는

R_k~

 

와

Tr_1

 

의 에미터 전류에 의해서 정해지는 값이 된다. 다음에 입력 전압이 내려가, 이 전압보다 내려가면

Tr_1

 

이 OFF가 되어, 전과는 반대로의 정궤환이 작용하여, 순간적으로

Tr_1

 

이 OFF,

Tr_2

 

가 ON인 원래의 상태로 되돌아간다. 

이 상태를 입출력 파형으로 보이면 그림 12-9와 같이 된다. 여기서 동작 레벨은

(V_BE + R_E I_E )

 

가 되므로,

Tr_1, ~Tr_2

 

각각의 부하 저항을 다르게하여, 에미터 전류를 바꿈으로써 반전할 때의 동작 레벨과, 원상 회복할 때의 동작 레벨을 다른 값이 되게 할 수도 있으며, 이 차이를 히스테리시스 전압이라 한다.

슈미트트리거 회로는 어떤 설정 레벨에 이른 신호만을 검출한다던가, 임의의 파형을 구형파로 바꾼다던가, 왜곡된 펄스를 정형하는데 사용한다. 

SMPS

 Switching Mode Power Supply의 약자로서, 스위칭 동작에 의한 전원공급장치를 의미하며, 수십~수백 kHz의 스위칭 주파수로 인해 에너지 축적용 부품 등의 소형·경량화가 가능합니다.

선형제어 방식 Vs. 스위칭 모드 방식

방식항목	선형제어 방식 전원	스위칭모드 방식 전원
효율	낮다(20~50%)	높다(65~95%)
안정도	높다	보통
NOISE & RIPPLE	작다(10mv 이하)	크다(10~200mv)
응답속도	빠름(10µs~10ms)	보통(0.5~10ms)
입력전압	입력 범위를 넓히면 효율이 저하	넓은 입력 범위 가능(Free Voltage)
회로	간단, 소수 부품 적용	복잡, 다수 부품 적용
외형치수	크다	작다
중량	무겁다	가볍다

SMPS는 크게 교류를 직류로 변환하는 AC-DC 컨버터와 직류를 직류로 변환하는 DC-DC 컨버터로 구분 가능

SMPS의 전력 변환 과정은 다음 그림과 같으며, 'A' 부분의 스위칭부가 존재하는 점이 가장 큰 특징

그라운드 분리 (analog , digital)

 ADC 혹은 DAC와 같은 아날로그와 디지털이 혼합된 mixed IC의 경우,

칩 내부에서 아날로그 영역과 디지털 영역이 나누어져 있다.

 따라서 칩 내부의 아날로그 회로는 analog ground (AGND)를 reference하고 

디지털 회로는 digital ground (DGND)를 reference한다.

 칩 내부의 두 reference는 서로 물리적으로 분리되어 있다. 

그리고 아날로그의 경우 내부에 필터를 내장하고 있을 수 있다

. 

 칩 내부에서 아날로그 reference와 디지털 reference가 나누어져 있는 이유는 디지털 파트 때문에 발생되는 노이즈가 아날로그 파트로 넘어가서 발생되는 오류를 막기 위함.

 

예들 들어 ADC의 디지털 출력이 low로 되면, DGND 핀에 빠르고 큰 전류가 흐르게 된다. 이것은 DGND 핀의 inductance 성분에 기인한 ground bounce라고 하는 전압을 유기하여 PCB 상의 그라운드 레벨과 칩 내부의 그라운드 레벨을 다르게 만든다. ground bounce는 디지털 로직의 큰 tolerance때문에 문제를 일으키지는 않는다. 그런데 이것 때문에 칩 내부의 디지털 그라운드를 아날로그의 기준전압으로 사용할 수 없다. 이것을 해결하기 이해서 AGND를 따로 사용해야 하는 것이다. AGND 핀이 짧은 시간에 많은 전류를 흘리지 않는한 문제가 되지 않는다. 즉 AGND는 실제 PCB 상의 ground를 보게 된다.

 이렇게 분리되어 있는 두 개의 reference는 결국 칩 밖에서 하나로 묶여져야 한다. 그렇지 않으면 두 reference 간의 전압 차이로 인해서 칩 내부의 디지털과 아날로그 사이의 경계에서 문제가 발생할 수 있다. IC 내부에 어느정도 tolerance는 있겠지만 우리는 그 값을 알 수 없으므로 최대한 적절히 PCB 디자인을 해야 한다.

 예들 들어 8비트 ADC에서는 아날로그와 디지털 reference 사이에 60dB 정도의 isolation만 있으면 noise 문제를 걱정하지 않아도 된다. 즉 그냥 하나의 큰 그라운드 플레인을 하용해도 문제를 일으키지 않을 것이다. 그러나 더 높은 해상도의 ADC라면 더 높은 isolation을 요구한다. 이것을 위해서 주로 PCB의 그라운드를 디지털 영역과 아날로그 영역 둘로 나눈다. 두 영역은 IC 아래의 한 점에서 연결이 된다. 연결점은 쵀대한 짧고 굵게 만들어야 한다. 연결점은 또한 아날로그 영역과 디지털 영역간에 current circulation이 발생하지 않도록 배치되야 한다(방금전에 언급한 한 점). 그렇지 않으면 isolation 효과가 무력화된다. PCB 그라운드 상에서 바라본 아날로그 그라운드 영역은 디지털을 경유하여 붙어있는 stray ground여야 한다.

진법

2진수 : 0, 1 → 수의 개수가 두 개

(4진수 : 0, 1, 2, 3 → 수의 개수가 네 개

8진수 : 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 → 수의 개수가 여덟 개 (프로그래밍시 8진수는 잘쓰이지는 않음)

10진수 : 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 → 수의 개수가 열 개

16진수 : 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A(10), B(11), C(12), D(13), E(14), F(15) → 수의 개수가 열여섯 개

  

반도체

도체 :금속 , 흑연

부도체 : 전류 통하지 않음

반도체 : Dioade :한쪽 방향으로만 전류 흐름

Transistor(TR - 트랜지스터)

트랜지스터 (영어: transistor)는 증폭 작용과 스위칭 역할을 하는 반도체소자이다. 1948년 미국의 벨 연구소에서 월터 브래튼, 윌리엄 쇼클리, 존 바딘이 처음 만들었다. "변화하는 저항을 통한 신호 변환기(transfer of a signal through a varister 또는 transit resistor)"로부터 나온 조어이다.

전압량의 미묘한 변화에 저항값이 휙휙바뀜 

증폭기능 : 활성영역 이용

Switching 기능 :  On/Off 기능 

트랜지스터 스위칭 참고 : http://www.mully.net/lee/2015/transistor/

트랜지스터 구동원리 참고 http://www.mully.net/lee/2015/transistor/

BJT 

용어	의미
Bipolar(쌍극성)	두개의 극성을 가지며 두 종류의 반송자, 즉 정공과 자유전자가 모두 전류 메카니즘에 관여한다.
Junction(접합)	PN접합이 두개 존재한다.
Transistor(트랜지스터)	두개의 PN접합이 구성된것이 아니라 Base에 의해 저항값이 변화된다.

3극 진공관은 진공 용기 안에 3개의 전극을 넣었다.다이오드에 비해 중간에 Grid라는 전극이 하나 더 들어가 있다.

구성은 (+) 전극을 걸어줄 수 있는 Anode가 있고 (-)전극을 걸어줄 수 있는 Cathode가 있다.

Cathode 에는 자유전자를 발생시킬 수 있는 텅스텐 필라멘트가 있고 텅스텐 필라멘트에는 별도의 전원을

인가할 수 있는 전극이 있다.

 전원이 가해 질 경우 필라멘트에서 열이 나며 텅스턴 안에 있는 자유 전자들이 텅스텐 바깥으로

튀어나가서 진공관 안에 자리를 잡게 된다. 이 전자들은 Anode에 (+)전압이 걸리면 (-) 쪽 Cathode 방향으로는

밀려지고 (+)전극 Anode쪽으로 당겨져서 Cathode 에서 Anode쪽으로 이동하게 된다.

 전기를 띤 입자들이 이동한다는 것은 전류가 이동한다는 것이다. 여기까지는 다이오드의 기능과 같다.

전류의 흐름은 전자가 이동하는 중간에 있는 Grid에 의해 이동 형태가 달라진다.

Grid에 (+) 전하가 걸리게 되면 Cathode 쪽의 전자는 곧바로 Anode쪽으로 이동하게 되지만 (-)전하가 걸리게 되면

Anode쪽으로 가는 전자를 방해하게 된다. 따라서 Grid에 의해서 전류를 제어할 수 있게 된다.

트랜지스터는 위 그림처럼 PNP형태를 가지고 있다. 진공관이 3개의 전극 Anode,Grid,Cathod로 구성되어 있는것처럼 트랜지스터는 Collector,Base,Emitter의 3개의 전극으로 구성되어 있다.

기본적인 작용은 Emitter에서 출발한 정공이 Collector에 도달하게 되면 전류가 흐르게 된다.

3극 진공관이 Grid에 의해 전류를 제어하는 것과 마찬 가지로 트랜지스터에서는 Base에 의해서 전류를 제어하게 된다.

Base에 어떠한 저항 값이 전해지느냐에 따라서 Emitter,Collector의 저항값이 변하게 된다. 즉 저항값을 Base에서 바꿀 수 있다는개념에서 'tranfer register'에서 'transistor'가 된 것이다.

장효과 트랜지스터

또는 전계효과 트랜지스터(field effect transistor, 약자 FET)는 게이트 전극에 전압을 걸어 채널의 전기장에 의하여 전자 또는 양공이 흐르는 관문(게이트)이 생기게 하는 원리로 소스, 드레인의 전류를 제어하는 트랜지스터이다. 트랜지스터의 분류 상 바이폴라 트랜지스터와 대비되어 단극 트랜지스터(unipolar transistor)로 분류된다.

장효과 트랜지스터는 게이트 아래에 놓인 절연층에 의해 축전기 구조가 형성되므로, 공지층에 의한 유사 교류 축전기만을 가지는 접합형 트랜지스터에 비해 동작 속도가 느리고 전송 컨덕턴스(gm)가 낮다는 문제가 있지만 게이트 전류가 거의 0인 장점이 있어 구조의 긴요해서 접합형 트랜지스터보다 고밀도 집적에 적절해서 현대의 집적 회로에 주류가 되고 있으며, 논리 회로 소자의 집적 회로 외에 아날로그 스위치/전자 볼륨에도 응용된다. 극초단파이상에서는 규소보다 캐리어의 이동도가 빠른 갈륨 비소(GaAs)와 같은 화합물 반도체를 이용한 FET가 사용되고 있다.

주파수 

1 초당 진동하는 횟수

가청주파수 : 20hz ~ 20khz

주파수 <- 역수 -> 주기

Boolean Logic

부울대수

참과 거짓을 판단하는 연산

A ∧ B (AND)
A	B	결과값
0	0	0
0	1	0
1	0	0
1	1	1

 

NOT 연산 결과
입력값	결과값
0	1
1	0

XOR 연산 결과
입력값	결과값
0 , 0	0
0 , 1	1
1 , 0	1
1 , 1	0

그라운드(GND)

접지

접지(接地)는 전기 회로나 전기 기기 따위를 도체로 땅에 연결하는 것을 말한다

TTL  

마이크로 프로세서에서 TTL은 Transistor to Transistor Logic을 말함. 

TTL은 5V의 전압을 공급받아서 동작하는 회로로써, low 신호는 0~0.8V , high 신호는 2~5V사이의 전압값을 가짐

옛날에는 이런 5V 로직이 많이 사용되었지만 요즘은 더 낮은 전압으로 동작하는 것들이 많아져서 (CMOS에 관해 찾아보길바람, 주로 low power때문에 동작전압이 낮아짐.) TTL과의 연결에 대해서 따로 데이터시트에 명시된 경우도 있음.  요즘에는 low voltage로 동작하는 것들이 더 많음. 또는 core와 I/O의 전압레벨이 다른 경우도 많음.(FPGA가 대표적인 예)