[예비보고서] 5.전압 제어 발진기 (VCO)

문서 내 토픽

1. 슈미츠 회로의 특성

본 실습에서 IC로 UA741 Op amp를 이용한다. 목적은 전압제어 발진기(VCO: Voltage Controlled Oscillator)를 설계하고 전압을 이용한 발진 주파수의 제어를 확인하는 것이다. 이 때 적분기 회로에 인가되는 전압의 크기에 따라 출력 전압이 일정한 값에 도달하는 시간이 변하는 것을 이용하여 주파수를 제어한다. Large signal voltage gain 로 주어진 UA741의 반전 및 비반전 입력 단자를 virtual short로 간주할 수 있어 일반적인 적분기 회로의 구성에 적합함을 알 수 있다. 또한, Bistable circuit으로 간주할 수 있는 슈미트 회로를 이용하여 적분기 회로가 두 가지 케이스로 동작할 수 있도록 제어한다. 이 과정에서 Op amp의 gain이 충분히 크다는 점으로부터, 포화가 발생한 출력이 슈미트 회로의 Hysteresis한 특성을 나타낼 수 있음을 확인하였다.
2. 슈미트 트리거 회로 설계

Simulation tool Pspice를 이용하여 슈미트 트리거 (Vdd=+5V)의 Vth가 2.5V가 되도록 회로를 설계 하시오. 이므로 Op Amp의 전원 전압으로 5V 크기의 전압을 인가한다. 그리고 이므로 로 설계하며, 본 실습에서 3개 주어진 20kΩ의 가변저항을 이용하면 다음과 같은 슈미트 회로를 설계할 수 있다.
3. 전압제어 발진기 출력 주파수 식

식 (8-3) : 식 (8-5) : 교재 이론부의 그림 8-8로부터, 전압이 상승할 때 출력의 초기 값은 이고전압이 하강할 때 출력의 초기 값은 이다. 상승 시 출력 전압이 가 되면 다시 하강하는 상태로 바뀌게 된다. 반대로 하강 시 출력 전압이 가 되면 다시 상승하는 상태로 바뀐다. 우선 하강은 ->로 전압이 변화하는 과정이며 그 시간을 T1이라고 전제한다. 그러면 식 8-3을 적용하는 경우 가 시간 t에 대한 일차함수로 주어지며, 기울기는 이다. 하강하는 기울기를 다르게 구하면 이므로, 결과적으로 이다. 반면 상승은 반대의 과정이며, 마찬가지로 기울기가 라는 사실로부터 이다. 따라서, 출력 주파수 이다.
4. 전압제어 발진기 설계 및 특성

그림 5-1과 같이 전압제어 발진기를 설계하고, 출력파형을 관찰하라. C1의 Capacitor 값을 10nF으로 하였을 때 Vc가 변화하면 VO의 주파수는 어떻게 변화하는가? Vc를 변화시킬 때 Freq vs Vc에 관한 그래프를 구하시오. 일 때 시뮬레이션 파형에서 Measured Period = 227.94us따라서, 출력 주파수 일 때 시뮬레이션 파형에서 Measured Period = 75.03us따라서, 출력 주파수 로, 인 경우에 비해 약 3배 정도 증가하였다. 위와 같은 방법으로 부터 까지 DC Sweep하여 주파수를 구하면 다음과 같다. Vc=2.5V를 기점으로 출력 주파수는 더 이상 증가하는 경향을 보이지 않는다. 이는 주기가 지나치게 짧아져 출력 전압이 하강하는 주기가 제대로 수행될 수 없기 때문으로 보인다. 이렇듯 Saturation이 일어나기 전에는 Vc가 증가할수록 이에 비례하여 출력 주파수가 꾸준히 증가하는 것을 알 수 있으며, 앞서 5-3-1(C)에서 도출한 출력 주파수의 식과 일치한다.
5. VCO 중심 주파수 설계

VCO의 중심 주파수가 2kHz가 되도록 회로의 C1 값을 설계하시오. 즉, ( 전제)
6. 슈미츠 회로 특성 변화에 따른 출력 파형

5-3-2 (A)에서 설계한 전압제어 발진기 회로는 교재 그림 5-1을 따른다. 이 때, 슈미츠 회로의 저항비는 5k와 10k의 비이므로 2의 값을 가지고, Capacitor의 값은 10nF으로 하였다. 이하의 과정에서 Vc 전압은 0.5V로 고정한다. [RS1/RS2만을 변화시키는 경우] RS1/RS2 = 1 (기존 RS1/RS2=2에서 감소) : 출력파형의 주파수가 낮아진다. RS1/RS2 = 3 (기존 RS1/RS2=2에서 증가) : 출력파형의 주파수가 높아진다. [Capacitor C1의 값만을 변화시키는 경우] Capacitor C1 = 5nF (기존 10nF에서 감소) : 출력 주파수가 높아진다. Capacitor C1 = 20nF (기존 10nF에서 증가) : 출력 주파수가 낮아진다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

1. 슈미츠 회로의 특성

슈미츠 회로는 히스테리시스 특성을 가지고 있어 입력 신호의 변화에 따른 출력 신호의 변화가 비선형적으로 나타납니다. 이러한 특성은 노이즈 제거, 스위칭 회로 설계 등에 유용하게 활용될 수 있습니다. 슈미츠 회로의 주요 특성으로는 입력 신호의 상승 임계값과 하강 임계값이 다르다는 점, 히스테리시스 폭이 입력 신호의 노이즈 제거에 중요한 역할을 한다는 점 등이 있습니다. 이러한 특성을 이해하고 적절히 활용한다면 다양한 전자 회로 설계에 효과적으로 적용할 수 있을 것입니다.
2. 슈미트 트리거 회로 설계

슈미트 트리거 회로는 히스테리시스 특성을 이용하여 노이즈에 강한 스위칭 동작을 구현할 수 있는 회로입니다. 슈미트 트리거 회로 설계 시 고려해야 할 주요 요소로는 상승 임계값, 하강 임계값, 히스테리시스 폭 등이 있습니다. 이러한 요소들을 적절히 조절하여 회로를 설계하면 안정적인 스위칭 동작을 얻을 수 있습니다. 또한 슈미트 트리거 회로는 논리 게이트, 펄스 발생기, 파형 정형기 등 다양한 응용 분야에서 활용될 수 있습니다. 따라서 슈미트 트리거 회로의 설계 기술을 이해하고 적용하는 것은 전자 회로 설계 분야에서 매우 중요합니다.
3. 전압제어 발진기 출력 주파수 식

전압제어 발진기(VCO)는 입력 전압에 따라 출력 주파수가 변화하는 회로입니다. VCO의 출력 주파수는 일반적으로 다음과 같은 식으로 표현됩니다: f = f0 + Kv * Vc, 여기서 f는 출력 주파수, f0는 중심 주파수, Kv는 주파수 변화율, Vc는 제어 전압입니다. 이 식을 통해 VCO의 출력 주파수를 예측할 수 있으며, 회로 설계 시 이를 활용하여 원하는 주파수 특성을 구현할 수 있습니다. 또한 이 식은 PLL(Phase Locked Loop) 등 다양한 주파수 합성 회로에서도 중요하게 사용됩니다. 따라서 VCO 출력 주파수 식에 대한 이해는 전자 회로 설계 분야에서 필수적입니다.
4. 전압제어 발진기 설계 및 특성

전압제어 발진기(VCO)는 입력 전압에 따라 출력 주파수가 변화하는 회로로, 주파수 합성, 위상 잠금 루프, 주파수 변조 등 다양한 응용 분야에서 활용됩니다. VCO 설계 시 고려해야 할 주요 특성으로는 주파수 변화율(Kv), 주파수 안정도, 위상 잡음, 선형성 등이 있습니다. 이러한 특성들을 적절히 조절하여 회로를 설계하면 원하는 주파수 특성을 구현할 수 있습니다. 또한 VCO는 LC 발진기, RC 발진기, 링 발진기 등 다양한 구조로 구현될 수 있으며, 각 구조에 따라 장단점이 있습니다. 따라서 VCO 설계 및 특성에 대한 이해는 전자 회로 설계 분야에서 매우 중요합니다.
5. VCO 중심 주파수 설계

전압제어 발진기(VCO)의 중심 주파수(f0)는 VCO 회로 설계 시 가장 중요한 요소 중 하나입니다. 중심 주파수는 VCO의 출력 주파수 범위를 결정하며, 이를 적절히 설계하는 것이 중요합니다. VCO 중심 주파수 설계 시 고려해야 할 사항으로는 응용 분야, 주파수 변화율, 주파수 안정도 등이 있습니다. 예를 들어 PLL 회로에서는 중심 주파수와 주파수 변화율이 중요하며, 무선 통신 시스템에서는 주파수 안정도가 중요합니다. 따라서 VCO 중심 주파수 설계 시 이러한 요소들을 고려하여 최적의 설계 값을 선정해야 합니다.
6. 슈미츠 회로 특성 변화에 따른 출력 파형

슈미츠 회로는 히스테리시스 특성으로 인해 입력 신호의 변화에 따른 출력 신호의 변화가 비선형적으로 나타납니다. 이러한 슈미츠 회로의 특성은 입력 신호의 상승 임계값과 하강 임계값이 다르다는 점에서 기인합니다. 슈미츠 회로의 특성이 변화하면 출력 파형 또한 달라지게 됩니다. 예를 들어 히스테리시스 폭이 증가하면 출력 파형의 상승 시간과 하강 시간이 늘어나게 됩니다. 또한 상승 임계값과 하강 임계값의 차이가 커지면 출력 파형의 비대칭성이 증가하게 됩니다. 이처럼 슈미츠 회로의 특성 변화에 따른 출력 파형의 변화를 이해하는 것은 회로 설계 및 분석에 매우 중요합니다.

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