Qucs(15)-비교기 (Comparator)와 영점 검출기(Zero crossing detector)

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비교기와 응용 회로

비교기는 오피 앰프를 활용하는 회로에서 많이 사용됩니다. 그만큼 비교기에 대한 기본적인 동작 방식을 잘 이해할 필요가 있습니다. 이글에서는 Qucs를 이용해서 비교기의 동작 특성을 알아보도록 하겠습니다. 그리고 비교기를 이용한 영점 검출기에 대해서 알아보겠습니다.

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비교기

먼저 Qucs의 설치와 기본적인 사용 방법은 아래 내용을 참조하시면 됩니다.

https://medialink.tistory.com/111
https://medialink.tistory.com/112?category=959576
https://medialink.tistory.com/113?category=959576

오디오 회로에서 비교기(Comparator)는 매우 활용도가 높습니다. 가장 흔하게 사용되는 경우는 오디오 레벨 미터(Level meter)입니다.

그리고 비교기를 응용해서 ADC, DAC를 만들고, 비교기 특성을 이용해서 영점 검출기(Zero crossing detector)를 만듭니다. 영점 검출기는 디지털 오디오의 제어 시점을 신호가 0V 일 때 회로나 신호처리 장치가 동작하도록 유도해 줍니다.

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단순 비교기

비교기는 기본적으로 오피 앰프의 이상적인 이득 값이 무한대 임을 이용하는 것입니다. 이는 신호가 수신되면 오피 앰프의 바이어스 전압까지 무조건 증폭하여 마치 출력이 구형파처럼 보이게 출력합니다. 

다음 회로는 오피 앰프의 비교 기준이 되는 전압을 0V로 정의한 비교기입니다. 즉 0V보다 큰 전압은 모두 구형파의 양의 값을 반대의 경우는 음의 값을 가지도록 출력합니다.

비교기의 최대 출력 전압은 오피 앰프의 출력 전압 특성에 의해 13.5V로 제한되어 나타납니다. 그래도 비교기에 의해 정현파가 구형파처럼 출력되었습니다. 

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비교 전압의 조건의 추가

아래의 회로는 비교기의 높은 값과 낮은 값을 결정하는 참조 전압 $V_{ref}$를 이용하는 회로입니다. $V_{ref}$를 오피 앰프의 구동전압과 두 개의 저항을 이용해서 구합니다. 아래 회로는  $V_{ref}=7.5V$로 이보다 높은 전압의 입력 신호는 양의 구형 신호로 이보다 낮은 신호는 음의 구형 신호를 만듭니다. 

구형파의 전압은 $pm 13.5V$로 위의 다른 회로와 같지만, 구형파가 변하는 지점은 비교 전압에 의해 결정됩니다. 이를 이용하면 ADC 회로나 레벨미터를 만들 수 있습니다. 

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비교기를 이용한 영점 검출기

비교기의 출력을 마이크로프로세서에서 Edge-lo Edge-hi로 인식해서 영점을 활용하는 회로를 구현해 보겠습니다.

위의 회로에 제너다이오드를 추가해서 출력 상한을 제한하는 비교기를 만들고 결과에 not gate 두 개를 연결해서 논리 값으로 변형합니다. 

 

비교기의 출력은 역시 구형파입니다. 그런데 제너다이오드와 not gate 덕분에 신호는 0V와 5V로 제한되어 나옵니다. 이때 원래 신호가 양의 신호에서 음의 신호로 변화하면 로직 신호는 edge-lo로, 반대의 경우에는 edge-hi로 출력됩니다.

이를 마이크로 프로세서에서 인터럽(interrupt) 신호로 수신하면 신호의 영점 변화를 알 수 있게 됩니다.  이런 특성을 이용해서 영점 시점에서 신호처리를 시작하도록 유도합니다. 

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