2023-1 연세대 전자회로(1) Project1 보고서

문서 내 토픽

1. 정류기(Rectifier) 회로

D1N914 다이오드의 특성을 PSPICE 시뮬레이션으로 분석하여 threshold 전압 약 0.736V, forward bias 시 전압 약 0.924V를 측정했다. Full-wave rectifier에서 저항만 연결된 경우와 RC 부하가 연결된 경우를 비교 분석하였으며, 축전기 용량에 따른 ripple 특성 변화를 관찰했다. 출력 전압 식 Vout = |Vin| - 2Vf,on을 유도하고 시뮬레이션 결과와 비교하여 0.67% 오차율을 확인했다.
2. 축전기 방전 특성 분석

Full-wave rectifier의 RC 부하에서 축전기 방전 시 출력 전압이 지수함수 형태를 따르는 것을 확인했다. MATLAB의 fit 함수를 이용하여 Vout,disc = 3.289exp(-996.6t) 함수를 도출하고 R² = 0.9998로 높은 정확도를 검증했다. 축전기 용량이 작을수록 ripple이 커지는 특성을 분석하고 Taylor 급수로 근사하여 계산 편의성을 개선했다.
3. Small Signal 분석

다이오드의 비선형 특성을 선형화하기 위해 small signal model을 적용했다. 다이오드의 small signal 저항 rd = VT/ID를 구하여 회로 분석에 활용했다. DC 성분과 AC 성분을 분리하여 분석하고, 전압배분법칙을 이용해 출력 전압을 계산했다. 다만 AC 신호 크기가 클 경우 small signal 가정이 성립하지 않아 오차가 발생함을 확인했다.
4. Track & Hold 회로 설계

다이오드 브릿지와 축전기를 이용한 track & hold 회로를 설계하고 주파수 특성을 분석했다. 전달함수 H(s) = 2.207(5.55×10⁷s)/(s² + 2.217×10⁸s + 3.99×10¹⁶)를 유도하여 주파수 증가에 따른 출력 감소를 확인했다. 회로 파라미터 최적화를 통해 100kHz에서 98.73% 유사도를 달성했으며, 입력 신호 진폭에 따른 고조파 특성 변화를 FFT와 THD로 분석했다.

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1. 주제1 정류기(Rectifier) 회로

정류기 회로는 교류 신호를 직류로 변환하는 기본적이면서도 필수적인 전자 회로입니다. 다이오드를 이용한 반파 정류와 전파 정류 방식은 각각의 장단점이 있으며, 실제 응용에서는 출력 전압의 맥동을 줄이기 위해 필터 회로와 함께 사용됩니다. 정류 효율, 역전압 내성, 열 발산 등을 고려한 설계가 중요하며, 현대의 전원 공급 장치에서도 여전히 핵심 역할을 합니다. 특히 고전력 응용에서는 MOSFET이나 IGBT 같은 반도체 소자를 활용한 능동 정류 방식이 효율성을 크게 향상시키고 있습니다.
2. 주제2 축전기 방전 특성 분석

축전기의 방전 특성 분석은 RC 회로의 시간 응답을 이해하는 데 매우 중요합니다. 지수 함수 형태의 방전 곡선은 시정수(time constant)에 의해 결정되며, 이는 회로 설계에서 응답 속도를 예측하는 데 활용됩니다. 실제 축전기는 누설 저항, 등가 직렬 저항(ESR), 유전체 손실 등의 비이상적 특성을 가지므로, 정밀한 분석을 위해서는 이러한 요소들을 고려해야 합니다. 에너지 저장, 신호 필터링, 타이밍 회로 등 다양한 응용에서 방전 특성의 정확한 이해가 회로 성능을 좌우합니다.
3. 주제3 Small Signal 분석

Small Signal 분석은 비선형 회로의 동작점 주변에서 선형화하여 교류 특성을 분석하는 강력한 도구입니다. 이 방법을 통해 복잡한 비선형 소자의 동작을 간단한 선형 모델로 근사할 수 있으며, 이득, 입출력 임피던스, 주파수 응답 등을 효율적으로 계산할 수 있습니다. 특히 증폭기, 발진기, 피드백 회로 등의 설계에서 필수적이며, 안정성 분석과 주파수 특성 예측에 매우 유용합니다. 다만 신호 크기가 작아야 한다는 가정이 있으므로, 대신호 조건에서는 추가적인 검증이 필요합니다.
4. 주제4 Track & Hold 회로 설계

Track & Hold 회로는 아날로그-디지털 변환 시스템에서 필수적인 샘플링 회로로, 신호를 추적(track)하다가 특정 시점에 그 값을 보유(hold)합니다. 설계 시 고려해야 할 주요 요소는 추적 오차, 정착 시간, 누설 전류, 그리고 홀드 시간 동안의 전압 드리프입니다. 고속 아날로그 신호 처리에서는 스위칭 속도, 온-저항, 그리고 용량성 피드스루(capacitive feedthrough)를 최소화해야 합니다. 현대의 고해상도 데이터 수집 시스템에서는 Track & Hold의 성능이 전체 시스템의 정확도를 크게 좌우하므로, 정밀한 설계와 보정이 매우 중요합니다.