그림으로 배우는 전자회로의 기초(6)-마이컴/디지털 회로

그림으로 배우는 전자회로의 기초(Ⅲ)-마이컴/디지털 회로

 

그림으로 배우는 전자회로의 기초 (Ⅲ) - 마이컴/디지털 회로



디지털 IC를 연결하기 위한 것 ① : 신호 레벨
디지털 신호를 바르게 전달하려면 출력 신호의 High 레벨을 입력 측에서도 High 레벨로, 출력 신호의 Low 레벨을 입력 측에서도 Low 레벨로 확실히 인식해야 한다. 출력 측과 입력 측 High/Low의 전압 레벨이 어긋나면 신호가 바르게 전달되지 않는다.





1. 디지털 회로는 신호가 High인지 Low인지 판정하며움직인다
디지털 회로는 신호 전압이 어느 기준값보다 높은지(High) 낮은지(Low)를 식별하면서 동작한다. 회로 자체는 아날로그와 전혀 다르며 트랜지스터, 저항, 콘덴서 등으로 구성된다.

2. High/부정/Low의 전압 범위는 IC에 의해 정해진다
디지털 회로는 노이즈에 강한 것이 강점이다. Hihg와 디지털 IC의 사양서를 보면, 어느 입력 전압(V_IH) 이상은 High로 간주하고, 어느 전압(V_IL) 이하는 Low로 간주하도록 정해져 있다. 그러한 모습을 그림 3에 나타낸다.
우선 신호를 받는 쪽의 IC에는 VIH와 V_IL이 정해져 있다. VIH 이상의 전압을 High로 간주하고 V_IL 이하의 전압을 Low로 간주한다. V_IH-V_IL 사이의 전압은 어느 쪽도 아닌 부정으로 다루어진다.

3. 출력 측 IC는 기준 전력(VIH와 VIL)에 대해 여유 있는 전압을 출력해야 한다
신호를 출력하는 쪽의 IC는 V_IH/V_IL의 정확한 전압을 출력할 경우 출력 전압이 부정으로 되어 버릴 우려가 있다. VIH보다 높거나 V_IL보다 낮은 충분한 마진이 있는 전압을 출력한다. V_OH/V_OL이라는 값으로 규정되며, H 레벨을 출력할 때에는 V_OH 이상의 전압으로 되고 L 레벨을 출력할 때는 V_OL 이하의 전압으로 된다.
IC 2개의 입출력 사이에서 정상적으로 신호를 주고받으려면 다음과 같은 관계여야 한다.
V_OH ＞ V_IH V_OL ＜ V_IL V_OH와 V_OL은 그림 4와 같은 IC의 규격으로 정해져 있다. 같은 IC라도 동작 전압이 유연한 경우에는 전원전압에 의해 변하는 경우도 있다. 
너무 어렵게 생각하지 않아도 되도록 설계되어 있지만, 기술 발전과 함께 규격이 다양해지고 있어 IC 각각의 데이터시트에서 확인해야 한다. 



디지털 IC를 연결하기 위한 것 ② : 전원전압
디지털 회로 전원전압의 주류를 이루고 있는 것은 5V, 3.3V, 2.5V, 1.2V 등이다. 전원전압은 어느 것이든 하나로 통일되면 좋겠지만 현실에서는 혼재하고 있다.
입력 측 IC의 전원전압이 출력 측의 그것보다 낮고, 또한 전원 측에 다이오드가 내장되어 있을 경우, 다이오드를 경유하여 전원에 전류가 흘러 들어와 입력 측 IC가 파괴되는 경우도 있다.

1. 다양한 전원전압의 디지털 IC가 혼재하면 연결하기가 번거롭다
디지털 회로의 전원전압은 약 30년 전까지 ＋5V로 거의 통일되어 있었지만 현재는 3.3V, 1.8V, 1.2V와 같이 다양해졌다. 전원전압이 다른 IC가 혼재할 경우에는 신호 라인을 서로 단순하게 연결할 수 없다.
아날로그 회로는 비교적 간단하게 감쇠기나 앰프(증폭기)로 신호 레벨을 조절하면 된다. 그러나 디지털(로직 레벨)은 그렇게 간단하지 않다.

2. 입력 측 IC의 전원전압이 출력 측 IC의 전원전압보다 낮을 때에는 파괴에 주의한다
디지털 IC는 정해진 전압(임계값 전압)을 경계로 입력 전압이 “H”인지 “L”인지를 판정한다. 그림 2에서 설명했듯이 입출력 모두 일정한 여유 전압을 가진 한계값이 정해져 있다. 이 때 연결된 상대를 파괴하지 않도록 주의해야 한다.
디지털 IC의 입력에는 내부에서 그림 7과 같은 보호 다이오드가 접속되어 있다. 고전압 측 출력으로 정전압 측 입력을 구동하면 이 다이오드에 과대 전류가 흘러 IC가 손상될 우려가 있다.
(1) 입력 단자의 보호 다이오드가 없는 레벨 변환 IC
표준 로직 IC 시리즈에서도 ‘레벨 변환 가능’이라고 칭하는 것(74VHC 시리즈 등)은 이 다이오드를 갖고 있지 않다.
이 보호 다이오드는 정전기를 전원에서 방출하는 것이 주요 목적이지만 모든 과대 전압 입력에 견딜 수 있을 정도로 강하지는 않다. 반대로 말해, 다른 방법으로 정전 파괴에 견딜 수 있다면 없어도 되는 것이다.

3. 입력 측 IC의 전원전압이 출력 측 전원전압보다 높을 때에는 L/H 판정 실수에 주의한다
전원전압이 낮은 IC의 출력으로 전원전압이 높은 IC의 입력을 구동할 경우, 그림 8과 같이 출력 측 IC의 높은 레벨 출력 전압 V_OH가 입력 측 IC의 높은 레벨 입력 전압 VIH보다 낮아질 우려가 있다. 이 경우, 입력 측을 임계값 전압이 낮은 TTL 입력 레벨인 것(표준 로직에서는 74HCT 등)으로 받는 등의 대책이 필요하다. 현재는 수요에 대응하여 TC74LCXR 164245 등 전용 레벨 변환 IC도 여러 종류 준비되어 있다.
(1) 디스크리트 트랜지스터로 대책을 세운다
그림 9와 같이 트랜지스터 단독으로 대응할 수도 있지만 전용 디지털 IC에 비해 속도가 느리다. 오픈 컬렉터(트레인) 출력 IC를 사용해도 될 것이다. 단, 오픈 드레인 단자에서도 그림 10과 같이 보호 트랜지스터가 들어 있는 경우가 있다.





4. A-D 컨버터의 입력 전압 범위
마이컴에도 아날로그 입력에 대응하는 A-D 변환기가 표준으로 내장되어 있다. 아날로그 신호 레벨 변화는 연속적이어서 디지털과 같이 일정하지 않은 상태로 되지는 않는다.
A-D 변환기에 가해지는 입력 전압 범위는 V_DD/V_ref/V_SS 공급 방법에 따라 정해지는데, 다음과 같은 방법이 있다.
·하한값을 0V(V_SS)로 하고 상한값 V_ref를 외부에서 부여한다
·상한값, 하한값을 내부에서 V_DD, V_SS로 고정한다(그림 11)
·상한값, 하한값 모두 외부에서 부여한다[그림 12(b)]
전부 아날로그 입력 전압을 이 범위 내로 하면 정상적인 변환 결과를 얻을 수 없다. 
또한, 그림 11과 같이 전단 앰프를 마이컴과 전원 공통으로 함으로써 상한값을 V_DD로 해 버리면 A-D 입력의 풀스케일까지 앞설 수 없다. 하한값 측이 0V를 기준으로 한 경우에는 주의가 필요하다. 단전원 OP 앰프는 완전한 0V를 출력할 수 없기 때문이다. 그림 12(a)와 같이 음전원을 사용하거나 그림 12(b)와 같이 V_ref를 앰프가 출력할 수 있는 범위로 해야 한다. 








개발할 때에만 사용하는 외부 인터페이스 변환 시 
외장 지그를 만들어 두면 편리하다
고기능 LSI나 모듈 덕분에 전자회로를 비교적 간단하게 만들 수 있게 됐다. 이러한 가운데 전압 레벨 문제가 귀찮은 존재로 나타났다. 기능적으로는 여기저기에 연결만 해도 되지만, 실제로는 전압 레벨을 변환해야 하는 경우가 많다.
플래시 기록용 RS-232-C 신호와 같이 기판에서 밖으로 나오는 신호선에서 개발이나 유지보수 시에만 사용할 경우, 변환 기능만 별도의 소형 기판으로 만들어 두면 편리하다.
RS-232-C는 대표적인 것이지만 JTAG나 디지털 오디오(SPDIF), USB 등도 변환 지그를 만들어 두면 편리하며 여기저기 사용할 수 있다. 버전업도 비교적 쉽다.
이러한 변환 기판은 메인 기판으로부터 배선을 끌어와 사용하는 것이 전제로 된다. 고속 신호선을 적당하게 연장해 버려 동작 불능으로 되지 않도록 전압 레벨 이외의 신호 사양에도 주의해야 한다.

리셋 IC는 초기화 IC라기보다 스타터 IC이다
리셋은 그 이름대로 상태를 초기화하는 기능이다. 전원 투입 직후의 디지털 회로는 제멋대로 움직이는 상태이지만, 그것을 클리어한 상태로 멈춰 두고 때를 봐서 한꺼번에 스타트시킨다. 리셋 IC는 초기화 IC라기보다 스타터 IC라고 하는 것이 더 적절하다.

1. 리셋 회로의 역할
(1) 초기화
디지털 IC에는 내장 하드웨어를 초기 상태로 되돌리기 위한 단자(리셋 단자)가 갖춰져 있다. 그 단자에 초기화를 위한 신호를 주는 것이 리셋 회로의 역할이다.
‘리셋 스위치’의 경우 데스크탑 PC에는 갖춰져 있지만 노트북에는 없으며, 있어도 웬만해서는 누르지 않기 때문에 리셋이 필요하지 않은 것처럼 생각되지만 그렇지는 않다.
(2) 대기 & 다시 시작
리셋 신호에는 초기화 이외에 회로를 움직이지 않도록 멈춰 두는 중요한 역할이 있다. 디지털 회로가 평소 동작할 때 하드웨어 리셋을 필요로 하는 경우는 드물지만, 전원 상승 시에는 회로를 멈춰 둘 필요가 있다.
전원 투입 직후 디지털 회로는 제멋대로 움직인다. 리셋 신호는 그것을 클리어한 상태에서 멈춰 두고 적당한 시기를 봐서 일제히 스타트시킨다.

2. 실제 리셋 회로
(1) 기존의 RC 회로
리셋 스위치를 설치하여 전원이 상승할 때마다 누르면 될지도 모르지만 번거롭기 때문에 그렇게 하지는 않는다. 방법이 나쁘면 리셋을 걸기 전에 멋대로 움직인다. 그래서 사용하는 것이 콘덴서(C)와 저항(R)에 의한 지연을 이용한 그림 15와 같은 회로이다.
기능적으로 불완전한 부분도 있지만 실용하기에는 충분하다. 이 기능을 그대로 내장하고 있는 IC도 있다.
① 연속 리셋을 지원한다면 다이오드를 R과 병렬로 넣는다
RC 리셋 회로는 전원 투입 후 콘덴서가 충전되는 중에만 작동한다. 일단 전원이 상승하여 콘덴서가 완전 충전 상태로 되면 동작하지 않는다. 전원을 끄고 바로 다시 넣어도 콘덴서에 쌓인 전하가 빠져 나오지 않는 사이에 전원이 재투입되므로 리셋 회로는 동작하지 않는다. 이러한 리셋 회로를 가진 장치에서 콘센트 뺐다 꽂았다 반복하면, 마이컴의 전원전압이 일단 동작 범위 이하로 떨어지자마자 리셋 회로가 동작하지 않은 상태에서 전원전압이 평소의 값으로 돌아간다. 이와 같은 상태로 되면, 마이컴은 내부의 로직 회로 상태가 이상해져 폭주한다.
다이오드는 전원을 OFF한 직후 신속하게 콘덴서에 쌓인 전하를 그라운드로 흘려 보내, 콘센트를 빼고 꽂을 때마다 확실히 리셋 회로가 동작하도록 하기 위해 필요하다.
② 히스테리시스 입력으로 받는다
RC 회로는 전압 변화가 완만하다. 이렇게 천천히 상승하는 신호를 리셋 단자에 입력하면, 입력 회로의 임계값 전압 부근에서 판정 논리가 “L”로 되거나 “H”로 된다. 이럴 때에는 히스테리시스 특성을 가진 슈미트형 단자에 입력한다(그림 16).
많은 마이컴 리셋 입력 단자의 내부 회로는 슈미트 특성을 갖고 있다. 그렇지 않은 경우에는 RC 리셋 회로를 사용하지 않는 편이 무난할 것이다.
(2) 순단 등도 검출할 수 있는 리셋 IC 회로
전자회로에 따라서는 전원전압이 떨어질 경우 이상하게 동작하는 것이 있다. 이러한 때에는 리셋을 걸어 폭주를 피하도록 한다.
폭주하지 않도록 하려면, 전원전압을 콤퍼레이터로 감시하여 기준전압 이하로 되면 리셋 신호를 나오게 한다. 그림 17은 RC 회로에 순단 검출 기능을 추가한 리셋 회로이다.
개별 부품으로 만드는 것은 번거롭다. 또한 리셋 회로는 전원 상승 시나 전압 저하 시 전원전압이 의심스러운 상태에서도 정상적이고 확실하게 동작해야 한다. 그래서 각 회사의 전용 리셋 IC가 시판되고 있다.
검출 전압을 저항으로 세밀하게 설정할 수 있는 것도 있으며, 기준전압별 버전을 갖춘 것도 있다. 또한 워치도그 기능(하드웨어에 의한 프로그램 동작 감시 기능)이나 여러 회로의 상승 순서를 정하는 시퀀서 등 앞선 기능을 가진 IC도 있다. 







디지털 포트로 아날로그 신호를 출력할 수 있는 PWM 회로는 이렇게 동작한다
PWM(펄스 폭 변조 : Pulse Width Modulation)은 펄스 신호의 “L”과 “H”의 시간 비율(듀티 사이클)을 바꿔 신호의 전압을 나타내는 변조 방식이다. “L”이나 “H”의 ON/OFF를 이용하는 기술이므로 디지털 회로를 사용하여 실현할 수 있다. 많은 마이컴이 타이머 기능 중 하나로 PWM 출력 기능을 탑재하고 있어 D-A 변환의 하나라고도 할 수 있다. D급 앰프나 전원회로에도 이용되고 있다.

1. PWM 신호 생성의 원리
아날로그 PWM 변조기는 그림 20과 같이 콤퍼레이터에 신호와 주기적인 반송파를 입력한다. 시간에 대해 직선적으로 변화하는 삼각파나 톱니파(반송파), 입력 신호를 비교하면 주기가 같고 입력 신호에 비례하며 High 시간이 변하는 펄스열을 얻을 수 있다.
원리는 간단하지만 회로 규모는 의외로 커진다. 그래서 비교적 심플한 자려식이라는 회로로 동작을 해설한다. 자려식은 발진 회로에 저항을 추가하기만 하면 실현되므로 실험 등도 간단하다.







2. 발진 회로에 저항 1개만 추가하면 된다
그림 21은 자려식 PWM 신호 생성 회로이다. 지난 달 본지 기술 특집(41쪽) ‘진동자를 사용하지 않는다! RC만! … 이장발진 회로’에서 소개한 발진 회로(이장발진 회로)에 저항 R_i만 추가한 회로이다. 그 상태라면 High와 Low 시간이 같은 구형파(방형파)를 출력하지만 저항을 경유하여 콘덴서를 충전함으로써 즴점의 전압이 삼각파로 된다. 이 삼각파의 각도에 따라 출력의 High와 Low 시간이 정해진다.
여기에 추가하는 저항 R_i를 연결하여 V_in에 ＋ 전압을 가하면 내리막길 부분에서 충전이 빨라진다. 따라서 내려가는 부분의 각도가 급격해져 High 시간이 짧아진다[그림 22(a)].
한편 오르막길 부분은 저항을 경유한 전류와 R_i에서 오는 전류가 역방향이므로 충전 전류가 적어져 각도가 완만해진다. 그 결과 Low 시간은 길어진다[그림 22(b)].
V_in이 마이너스일 때에는 반대로 High 시간이 길고 Low 시간이 짧아진다. 이와 같은 동작에서 입력 전압의 크기에 따라 High와 Low 시간의 비가 변한다.
(1) D급 앰프 등에 사용된다
같은 원리가 그림 23에 나타난 형태이며 D급 앰프 등에 응용되고 있다. 실용화하려면 파워 증강 등을 고려할 필요가 있지만, 그림 21의 회로에서 High/Low 출력을 필터 등으로 평균화하면 실험으로 간단한 동작을 확인할 수 있다. 







A-D 변환은 2단계 처리
시간적으로 연속된 신호를 디지털 처리하는 전 단계로서 어떤 순간의 값에 대해 움직임을 멈추고 가져올 필요가 있다. 연속 처리를 실행하려면 일정 시간 간격으로 계속해서 주기적으로 데이터를 가져온다. 이것을 표본화(샘플링)라고 한다. 표본화하는 신호 처리는 그림 A와 같이 2가지 타입이 있지만 모두 빠른 움직임이 비정상적으로 보이는 문제가 발생한다.
마이컴에도 내장되어 있는 A-D 컨버터에서는 ‘표본화’와 함께 전압을 디지털화하는 ‘양자화’까지 실시한다. 디지털 신호처리의 대표적인 방법인 PCM(펄스 코드 변조)이라고 한다.
표본화만으로 양자화하지 않는 신호처리를 실행하는 예는 D급 앰프나 스위치드 커패시터 필터(SCF) 등이 있다. 이것은 디지털 신호처리가 아니다.


A-D 컨버터와 폴딩 잡음 발생
A-D 컨버터는 아날로그 신호를 주기적으로 샘플링한다(들여다본다). 이 때 아날로그 신호의 주파수가 샘플링 주파수의 1/2보다 높으면 실제 변화보다 느리게 보인다. 이 현상을 폴딩 잡음이라고 하며, A-D 컨버터를 포함한 모든 샘플링 장치에서 발생한다.

1. 변환 속도가 느린 컨버터로 A-D 변환하면 아날로그 신호를 바르게 포착할 수 없다
전처리 없이 갑자기 아날로그 신호를 디지털화하여 신호 처리하는 장치가 증가했다. 그러나 A-D 변환 속도(샘플링 주파수)가 원래 아날로그 신호의 변화 속도(주파수)보다 충분히 빠르지 않으면 원래의 아날로그 신호를 바르게 디지털로 변환할 수 없다.
형광등 아래에서 선풍기 날개 등이 회전하는 것을 보면 전원 주파수에서 점멸하고 있는 빛과 날개 움직임의 간섭 줄무늬가 보이는 경우가 있다. 그리고 그 간섭 줄무늬는 날개의 움직임과 관계없는 속도로 회전하거나 날개의 회전 방향과 반대로 회전한다. 신호를 A-D 변환할 때에도 같은 일이 일어난다.
(1) 샘플링 주파수의 1/2보다 높은 주파수 신호를 A-D 변환하면 잡음이 생겨 가산된다
샘플링 정의라는 신호 이론에 따르면, 일정 주기로 아날로그 신호를 바르게 표본화(디지털화)하고 싶은 경우 신호 주파수의 최대값은 표본화 주파수(표본화하는 주기의 역수)의 1/2 이하여야 한다고 되어 있다.
그렇다면 그 이상은 어떻게 될까. 제대로 변환된 신호로 분리할 수 없는 잡음으로 가산된다. 이 잡음을 폴딩 잡음(에일리어싱이라고도 한다)이라고 한다.





2. 폴딩 잡음은 A-D 변환할 경우 반드시 생긴다
폴딩 잡음은 드문 현상이 아니다. 시간 변화가 있는 아날로그(연속) 신호를 표본화하면 반드시 발생한다. 예를 들면, 어떤 아날로그값을 A-D 변환으로 여러 차례 가져와 평균화해도 값이 안정되지 않는 증상을 겪게 된다.
이것을 피하려면 표본화 주파수의 1/2 이하로 입력 신호의 주파수 대역을 제한하는 필터를 추가해야 한다.

폴딩 잡음을 제거하는 다양한 아날로그 필터
아날로그 신호를 샘플링했을 때 반드시 발생하는 고주파 노이즈(폴딩 잡음)는 일단 신호와 중첩되어 버릴 경우 분리할 수 없게 된다. 샘플링 주파수를 높이면 신호와 중첩되지 않게 되지만 폴딩 잡음이 없어지지는 않는다. A-D 변환기 앞에 아날로그 필터를 넣어 신호만 흡수한다.
폴딩 잡음은 원래의 신호 성분과 표본화로 발생한 허상(이미지) 성분이 간섭함으로써 일어난다. 이미지 발생 원리는 그림 29와 같다. A-D 변환의 원리상 발생한다. 부품을 갖추지 못하는 등 특별한 조건이 아니라 표본화를 실행하면 반드시 발생한다.



1. ‘허상’이 신호 대역에 중첩되면 제거할 수 없게 된다
표본화 주파수(표본화하는 주기의 역수)가 신호 주파수보다 충분히 높으면 이미지는 신호 주파수보다 높은 주파수에서 발생한다. 그러나 신호 주파수가 높아지면 이미지 주파수가 신호에 근접해 그림 30과 같이 중첩된다. 이렇게 되면 이미지 신호에 식별 표시가 붙어 있을 리 없으므로 신호 성분과 분리할 수 없게 된다. 이것이 폴딩 잡음(에일리어싱)이다.



2. 폴딩 잡음 제거 방법
샘플링 주파수가 입력 신호의 주파수 대역보다 충분히 높으면 아날로그 필터 설계가 편해진다[그림 31(a)]. 물론 샘플링 주파수를 높이면 데이터의 양이 증가하므로 고성능 하드웨어가 필요하게 된다.
그림 31(b)와 같이 신호 대역을 너무 희생하지 않는, 거의 f_s/2의 주파수로 샘플링한다고 가정한다. 이 경우 샘플링 주파수의 1/2에서 급격한 차단 특성을 가진 아날로그 필터가 필요해진다.
디지털 필터를 사용하면 아날로그 필터로는 곤란한 급격한 특성을 실현할 수 있지만, 폴딩 잡음은 샘플링 처리 중에 발생하므로 처리는 아날로그로 해야 한다.
그래서 필요한 샘플링 주파수의 정수 배로 우선 샘플링한다. 그러면 그림 31(c)와 같이 신호와 이미지(폴딩 신호)의 간격이 벌어진다. 또한 아날로그 필터에 의한 전처리도 느슨한 필터로 해도 된다.
이렇게 가져온 신호는 폴딩에 의한 중첩이 없다. 디지털 필터 처리도 정상적으로 할 수 있으므로 여기서 그림 31(d)와 같이 원래 샘플링 주파수의 1/2 이하로 대역 제한해 버린다.
이 단계에서 실제 샘플링 주파수는 원래의 정수 배로 움직인다. 여기서 본래의 샘플링 주파수가 되도록 데이터를 솎아내면 이미지는 샘플링 주파수를 중심으로 부활한다[그림 31(e)]. 신호와의 중첩은 제거된다.



3. 샘플링 주파수를 높이는 것만으로 허상은 없어지지 않는다
샘플링 주파수를 신호의 주파수 대역보다 충분히 높게 하면 이미지 주파수를 높은 쪽으로 따라갈 수 있다. 그러나 이미지 자체가 없어지는 것은 아니다.
D-A 변환 등으로 신호를 다시 아날로그로 되돌리려고 하면 부활해 버린다.

4. 폴딩 잡음을 제거하는 다양한 필터
(1) 저주파 대역에서 주력은 액티프 필터
필터에는 다음과 같은 타입이 있다. 이 중 저주파에서는 액티브형이 일반적이다. 특성과 차수는 기본적인 회로의 종속 접속으로 실현한다.
① 패시브형과 액티브형
L, R, C만 사용한 패시브형과 앰프 귀환을 이용한 액티브형이 있다.
② 버터워스/체비셰프/베셀형
필터에는 형태가 있다. 그 선택에 따라 차단 특성의 예리함을 우선하거나 위상 변화가 작은 것을 우선할 수 있다. 그림 32의 버터워스형, 체비셰프형, 베셀형이 대표적이다. 1차 패시브 필터를 단순히 조합해도 불가능한 특성이다(그림 33).
③ 차수
감쇠 성능의 예리함을 높이거나 ‘날카로움’을 좋게 하려면 ‘차수’를 높인다
④ 로우패스/하이패스/밴드패스 외
주파수 대역 중 어느 쪽을 자를 것인가에 따라 로우패스형(저역 통과형), 바이패스형(고역 통과형), 밴드패스형(대역 통과형), 밴드 일리미네이션(대역 저지형)의 4가지 타입이 있다(그림 34). 로우패스형을 기본으로 설계하고 주파수 변환이라는 방법에 의해 각 타입의 필터로 변환한다.
(2) OP 앰프를 사용한 필터 회로 방식 ① : 정귀환형 필터
그림 35는 액티브 필터 중에서 아마 가장 많이 사용되고 있는 회로일 것이다. OP 앰프 1개로 2차 로우패스 필터를 구성할 수 있다. 고안자의 이름을 따서 Sallen-Key형, 혹은 VCVS(전압 제어 전압원)형이라고도 한다.
저역 통과형으로서는 저지역(통과해서는 안 되는 높은 주파수) 신호가 출력에 ‘완전 개방’된다는 약점이 있다. OP 앰프가 아니라도 게인 1배의 이미터 폴로어 등으로 구성할 수 있다.
(3) OP 앰프를 사용한 필터 회로 방식 ② : 다중 귀환형 필터
정귀환형과 함께 대표적인 회로이다. 역시 OP 앰프 1개로 2차의 로우패스 필터를 구성할 수 있다. 정귀환형에서 발생하는 ‘완전 개방’은 피할 수 있다.
(4) 그 밖의 필터 회로
·상태변수형 2차 특성을 얻기 위해서는 OP 앰프 3개가 필요하지만 로우패스, 밴드패스, 바이패스 3개의 출력을 동시에 얻을 수 있다.
·biquad형
상태변수형을 변형하여 반전 앰프만으로 구성할 수 있도록 한 것이다. 차동 입력을 필요로 하는 상태변수형보다 높은 주파수에서 동작하는 데 유리하다.
·twin-T 회로
전송 제로점을 가진 패시브 회로로 특정 주파수를 강력하게 감쇠시키는 노치 필터로서 사용된다.
·이상(移相) 회로
진폭을 변화시키지 않고 위상만 변화시키는 회로이다.
·FDNR(주파수 의존 부성 저항)형
‘D 소자’라는 가상 소자를 OP 앰프로 구성하여 패시브 필터의 L, C를 치환한 것. GIC형이 유명하다.
(5) 고차 필터의 필요성은 적어졌지만…
3차 이상의 고차 필터는 그림 35, 그림 36에서 설명한 2차 필터에 대해 특성을 조금씩 바꾸면서 종속 접속하여 실현하는 것이 일반적이다. 고차 아날로그 필터가 필요하게 되는 경우는 적어졌다. 오버샘플링이나 스위치드 커패시터형 필터 등을 내장하여 A-D 변환 측이 안티에일리어싱 필터에 요구하는 성능이 포화되었기 때문이다(그림 37).
그밖에 D급 앰프나 PWM 회로 등에도 이치를 따지자면 안티에일리어싱 필터가 필요하지만, 높은 주파수의 신호 성분이 존재하지 않는다는 이유로 생략되는 경우도 있는 것 같다. 필터가 필요 없다고 착각해서는 안 된다.











LED/스위치/모터를 강력하게 구동하고 싶을 때 도움이 되는 ‘드라이버’
LED는 전류를 흘리면 발광한다. 마이컴 포트에 전류 제한 저항을 직렬로 접속하는 경우가 많다. 그러나 마이컴 포트가 충분히 전류를 흘릴 수 없는 경우, LED를 발광시키거나 5V 마이컴으로 12V 릴레이를 ON/OFF시키려면 전압/전류의 능력을 증강해야 한다. 이것을 드라이버라고 한다. 트랜지스터나 표준 로직 IC, 전용 드라이버 IC 등이 있다.
마이컴의 I/O 포트에 LED를 연결하고 전류 제한용 저항을 직렬로 접속하면 LED를 점등하거나 소등할 수 있다. 그러나 포트가 출력하거나 흡수할 수 있는 전류나 전압에는 한계가 있다. 큰 전류를 필요로 하는 LED를 발광시키거나 12V를 가하는 릴레이를 ON/OFF하려면 전압이나 전류의 능력을 증강해야 한다.
이러한 증강용 IC 또는 회로를 드라이버라고 한다. 드라이버를 구성하려면 트랜지스터를 조합하거나 표준 로직 IC 및 전용 드라이버 IC를 사용한다. 드라이버 회로란 일본어로 구동 회로를 말한다. 마이컴의 출력 포트도 훌륭한 드라이버이지만, 어느 정도 큰 전류나 전압이 필요하므로 전용 회로가 필요한 경우 특히 그렇게 부른다.

1. 전류를 증강한 예 … LED 점등
LED는 기본적으로 전류를 흘리면 발광한다(그림 40). 마이컴 포트에 전류 제한 저항을 직렬로 접속하면 되는 경우가 많다(그림 41). 최대 출력 전류 4mA 이하의 포트에서 충분하지 않은 경우 저항이 있는 디스크리트 트랜지스터 등으로 어시스트한다(그림 42).
LED의 수가 많을 때는 전용 IC가 편리하지만 개정과 폐기가 진행되고 있다. 버스 드라이버 IC나 오픈 컬렉터의 범용 로직 등도 유용할 수 있다(그림 43).
특히 청색이나 백색 LED는 VF가 높아 3.3V계 이하 전원에서는 직접 점등할 수 없으므로 별도의 전원이 필요하다. 이 경우 드라이버 출력 형식은 오픈 컬렉터(드레인)형이어야 한다.





2. 전압과 전류를 증강한 예 … 릴레이 ON/OFF
메커니컬 릴레이(전자석으로 기계 접점을 움직이는 것)나 솔레노이드(전자석)를 구동할 때에도 전압이나 전류의 증강이 필요하다. LED와 다른 점은 솔레노이드를 ON/OFF할 때 인덕턴스에서 역기전력이 생기므로 대책을 세우지 않으면 회로가 파괴된다는 것이다(그림 44).



3. 전압과 전류를 증강한 예 … MOSFET 구동
MOSFET은 그 앞에 연결되는 무언가를 구동한다. 단, MOSFET 구동 전압은 낮은 것도 3V 이상이다. 마이컴 등에서 제어할 때에는 앞단에 MOSFET 자체의 구동 회로가 필요하다. 입력은 교과서대로 직류적으로 절연되기 때문에, 늦어도 될 경우 전압만 가하면 동작한다. 
단, 드레인 전류 수 암페어 이상의 대형인 것은 입력 용량이 커서 고속으로 ON/OFF시킬 경우 큰 구동 전류가 필요하다. ON ⇔ OFF에 시간이 걸리면 발진 위험성이 높아져 손실도 늘어난다.
디스크리트로 해서 안될 것은 없지만 최근에는 전용 드라이버 IC가 보급되고 있으므로 그것을 이용하는 것이 훨씬 간단하다(그림 45). MOSFET은 그다지 빠르게 스위칭할 필요가 없어도 ON ⇔ OFF에 시간이 걸릴 경우(선형 동작하는 시간이 있으면) 발진 등의 위험이 있다. 전용 IC로 재빠르게 ON/OFF하는 것이 좋다.





(1) 앰프와 드라이버의 차이는?
전류나 전압을 증강하는 것과 유사한 회로에 앰프도 있다. 앰프는 신호의 형태를 무너뜨리지 않고 확대하는 것이 목적이다. 드라이버는 다른 부품이나 회로를 제어하기 위해 충분한 전류를 출력하는 회로이다.


本 記事는 日本 CQ出版社가 發行하는 「トランジスタ技術」誌와의 著作權 協定에 依據하여 提供받은 資料입니다.

출처: http://www.hellot.co.kr/new_hellot/search/search_magazine_read.html?code=103&sub=001&idx=11626