다이오드
다이오드(diode)는 전자회로에서 사용하는 기초 부품입니다. 이 부품은 여러 회로에 포함되어 원하는 특성을 얻도록 지원합니다. 이글에서는 다이오드의 기본 구동 원리와 이를 응용하는 바이어스 인가 회로를 보여드리겠습니다.
다이오드는 아래 그림과 같이 애노드(Anode, A)에서 케소드(cathode, K)로 전압을 인가하면 화살표 방향으로 전류가 흐릅니다. 이상태를 정방향 바이어스(forward bias)라고 합니다. 만약 전압이 반대 방향으로 인가되면 전류가 흐르지 않습니다. 이 상태를 역방향 바이어스(revere boas)라고 합니다. 이런 특성을 이용해서 정류회로에 기본 소자로 사용됩니다.
그런데 정방향 바이어스가 일반적으로 0.7V 이하가 되면 다이오드에는 전류가 흐르지 않습니다.
이는 다이오드가 두 가지 성질의 반도체인 N과 P형 반도체를 접합해서 만드는데, 두 반도체의 접합 면에서 전자가 이동하려면 최소 0.7V 이상의 전압이 필요하기 때문입니다.
다이오드의 전압과 전류
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
실험에서 사용할 다이오드는 1N4148로 소신호용 저전력에 사용합니다. 특히 통신회로에 주로 사용합니다. 이 다이오는 최대 200mA의 전류를 허용합니다. 이보다 높으면 파괘 됩니다. 또한 A-K 사이의 전압이 75V 이상이면 또한 파괘 됩니다. 이는 1N4148 부품의 기술 명세서를 보고 사용자가 알아내야 합니다.
다음은 QucsStudio로 구현한 다이오드 회로입니다. 다이오드에 인가전압 5V가 그대로 출력으로 나타나고, 전류는 56.6A가 흐릅니다. 이 상태이면 다이오드는 파괘 됩니다. 그래서 저항을 하나 추가해 봅니다.
다이오드와 직렬로 연결해서 저항과 다이오드가 인가전압 V1=5V를 나눠 쓰도록 유도합니다. 그래서 다이오드의 양단 전압이 0.7V이상이 되면서, 허용 전류가 흐르도록 조정합니다. 아래 그림은 저항을 $10\Omega$로 했을 경우 전압과 전류 상태입니다.
전류 조건이 너무 높습니다. 그럼 이런 전류는 아래의 식에 의해 계산됩니다. 즉 다이오드에 인가된 전압을 뺀 나머지 전압이 저항의 양단 전압으로 이를 옴의 법칙을 이용하면 전류를 얻을 수 있습니다. 사실 아래식은 근사적인 전류 값을 제공합니다. 왜냐 하면 다이오드는 선형적인 소자가 아니기 때문입니다. 즉 입력 조건에 따라 출력이 그때그때 다릅니다. 그러니 시뮬레이션으로 검토해보는 것도 좋은 방법입니다. 좀 더 실제와 가까운 값을 얻을 수 있기 때문입니다.
아래 식은 LED를 안정적으로 구동하기 위한 저항값을 구할 때에도 사용됩니다.
$$I=\frac{V_1 - V_{diode}}{R}=\frac{5-0.938}{10}$$
위의 식을 저항 위주로 변경하고 다이오드의 최소 바이어스 전압 $V_{diode}=0.7V$, 다이오드의 최대 허용 전류 $I_{diode}=200mA$를 적용해 보겠습니다.
$$R=\frac{V_1 - V_{diode}}{I_{diode}}=\frac{5 - 0.7}{200m}=21.5\Omega$$
위의 계산된 저항값 보다 살짝 높은 저항 $22\Omega$을 적용해 보겠습니다. 그러면 허용 전류를 만족하고 다이오드의 바이어스 전압도 0.7V 이상으로 적합합니다. 저항이 $1k\Omega$에서도 회로는 잘 동작합니다. 다만 전류 조건이 달라집니다.
만약 큰 저항값을 사용하면 어똫게되는지 보겠습니다. 다음은 $100k\Omega$를 사용한 결과로 저항에 많은 전압이 인가되면서 다이오드가 동작하지 않기 때문에 전류는 거의 흐르지 않습니다.
두 개의 다이오드를 사용
아래의 그림은 두 개의 다이오드를 직렬로 연결한 상태입니다. 그러면 위의 식에서 다이오드의 수 N을 포함하도록 수정하면 저항 값을 구할 수 있습니다.
$$R=\frac{V_1 - N \cdot V_{diode}}{I_{diode}}=\frac{5 - 2\cdot 0.7}{200m}=18\Omega$$
그러면 다음과 같이 전류와 전압을 구할 수 있습니다. 그런데 다이오드의 양단 전압이 $2\cdot 0.7 = 1.4V$로 나타나지 않습니다. 이유는 위에 설명한 것과 같이 다이오드의 비선형 특성 때문입니다.
그래도 다이오드 양단의 전압을 0.7V에서 벋어 난 값을 얻는 방법을 알게 됐습니다.
아래 회로를 응용하면 잘만 조정하면 입력 전압에서 1.5V 건전지 전압을 얻는 회로를 만들 수 있습니다. 실제 정전압 공급기는 이 회로의 특성을 기반으로 합니다.
바이어스 인가 회로
신호처리를 위한 하드웨어에서 오디오 아날로그 신호에 바이어스(bias)를 인가해서 모든 신호를 양의 값이 되도록 유도하는 경우도 있습니다. 또는 오피 앰프가 음의 신호를 다룰 수 없는 형태일 경우에서 바이어스를 인가합니다.
기본적으로 바이어스 인가는 비반전 가산기를 사용합니다.
다음은 하나의 신호원에 위에서 사용했던 다이오드 회로를 사용하여 1.77V의 바이어스를 인가하는 내용입니다.
이 회로의 출력은 다음과 같습니다. 입력 측에 $1V_p$의 교류 신호와 다이오드에서 얻은 직류 신호 1.77V가 보입니다. 출력은 두 신호가 더해진 상태로 교류 신호가 1.77V를 기준으로 변하고 있습니다. 즉, 오디오 신호에 바이어스가 인가된 상태입니다. 다이오드 대신에 레귤레이터(regulator)나 제너 다이오드를 사용해도 됩니다.
대부분의 ADC는 바이어스 전압을 요구합니다. 때론 바이어스 전압을 위한 회로를 추가하거나, 거꾸로 ADC가 제공해 주는 경우도 있습니다. 또는 내부에서 알아서 바이어스 전압을 만들어서 적용해 주는 경우도 있습니다. 그러니 사용하려는 ADC의 특성을 고려해서 이런 바이어스 회로 적용 여부를 결정하면 됩니다.
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