지원 및 저항 채널

마지막 업데이트: 2022년 2월 23일 | 0개 댓글
  • 네이버 블로그 공유하기
  • 네이버 밴드에 공유하기
  • 페이스북 공유하기
  • 트위터 공유하기
  • 카카오스토리 공유하기
게이트 전압은 10kΩ×1mA=10V이다. 이 1mA는 MOSFET의 기생 다이오드를 흘러 앰프에 흡수된다.<>

PROFIBUS Hub B5, repeater B1은 PROFIBUS-DP 설치시, 높은 내구성과 향상된 확장성을 제공하는 IP20 규격의 repeater로써 스타/트리구조 또는 분기라인의 backbone망 구성이 가능합니다.

다양한 공장 제어 요구 충족
MELSEC-Q 시리즈는 공장 자동화 시스템을 향상시킵니다.
다양한 제어 상황을 지원하기 위해 PLC, 프로세스, 이중화, C 언어,
모션 CPU를 제공합니다.

그림4.jpg


- 모든 PROFIBUS,MPI protocol 지원
- 채널별 31국까지 접속 가능
- 9.6 Kbps - 12 Mbps (자동 속도 검출기능)
- 분기당 최대 1200m 구성 가능 (통신 속도에 따라 다름)
- glitche(Peak) 진단 기능
- 종단저항 내장(개별 스위칭 가능)
- 종단 표시를 위한 LED 표시기
- 나사타입 커넥터와 DB9핀 타입커넥터 사용가능


- 모든 PROFIBUS,MPI protocol 지원
- 채널별 31국까지 접속 가능
- 9.6 Kbps - 12 Mbps (자동 속도 검출기능)
- 분기당 최대 1200m 구성 가능 (통신 속도에 따라 다름)
- glitche(Peak) 진단 기능
- 종단저항 내장(개별 스위칭 가능)
- 종단 표시를 위한 LED 표시기
- 나사타입 커넥터와 DB9핀 타입커넥터 사용가능

그림3.jpg

- 최대 1200m 지원(속도에 따라 적용)
- 전원 이중화 지원 (19..28 VDC)
- 모든 종류의 PROFIBUS and MPI protocol 지원
- 9,6 Kbps - 12 Mbps (자동 속도측정 및 설정기능)
- 종단저항 내장(개별 스위칭 가능)
- 통신상태 진단용 LED 제공

- 최대 1200m 지원(속도에 따라 적용)
- 전원 이중화 지원 (19..28 VDC)
- 모든 종류의 PROFIBUS and MPI protocol 지원
- 9,6 Kbps - 12 Mbps (자동 속도측정 및 설정기능)
- 종단저항 내장(개별 스위칭 가능)
- 통신상태 진단용 LED 제공

게재월 | 2014 - 03 3947 0

인터넷을 이용한 프린트 기판 제조 서비스가 가능해졌고, 100만 개 이상의 부품을 갖춘 부품 회사가 탄생함에 따라 핸드메이드 붐이 다시 찾아왔다. 과거와 달라진 점은 고기능 IC와 프린트 기판으로 마무리할 수 있게 되었다는 것이다. 여기서는 디지털 오디오의 지원 및 저항 채널 개요 및 제작 방법에 대해 알아본다.

디지털 오디오를 강력하게 지원하는 액세서리 회로집

여기서는 아날로그 음성 신호의 주파수 특성을 바꾸는 이퀄라이저 회로, 레코드, 플레이어의 출력 신호를 증폭할 수 있는 포노 이퀄라이저, MOSFET에 의한 스피커 보호 회로, 오디오 소스의 셀렉터 회로를 소개한다. 마이컴을 사용하는 셀렉터 회로나 전자 볼륨도 소개한다.

이퀄라이저 ① … 고음과 저음의 양을 조절할 수 있는 액티브 이퀄라이저

트랜지스터나 IC 등의 반도체를 사용한 이퀄라이저를 액티브 이퀄라이저라고 한다. 그림 1은 OP 앰프로 만든 액티브 이퀄라이저를 나타낸 것이다. 저항의 상수에 따라 저역, 고역의 주파수 차단, 부스트 양을 조절할 수 있다. 특성은 다음과 같은 식으로 결정한다.

▲ 그림 1. 저항 상수로 저역이나 고역 특성을 바꿀 수 있는 액티브 이퀄라이저

이퀄라이저 ② … 100Hz, 1kHz, 10kHz를 조절할 수 있는 3밴드 그래픽 이퀄라이저

3밴드 그래픽 이퀄라이저(GEQ : Graphic Equalizer) 회로는 그림 2와 같다. 100Hz, 1kHz, 10kHz로 저역, 중역, 고역을 조절할 수 있다.

▲ 그림 2. 100Hz, 1kHz, 10kHz를 조절할 수 있는 3밴드 그래픽 이퀄라이저 회로

회로의 기본형은, 그림 3과 같은 밴드 패스 필터(이하, BPF)를 이퀄라이저 소자로 한 액티브 가산형 GEQ이다. B커브 볼륨을 사용한다. 소자 감도가 낮고 주파수 결정에 L을 이용하지 않아 C의 단순 용량값으로 실현할 수 있다. 시판되고 있는 그래픽 이퀄라이저 PRO-G51(아큐페이즈)을 참조했다.

▲ 그림 3. 액티브 가산형 그래픽 이퀄라이저의 기본형

비교적 출력 전류를 크게 할 수 있고, 잡음 특성과 주파수 특성이 좋은 OP 앰프 NJM5532D를 ±15V로 사용한다.

VR은 2련 타입이며 L/R 동시에 가변할 수 있는 RV24YG20 SB203(도쿄코스모스)이다. 최대 가변량은 ±10dB로 했다.

VR은 10k~50kΩ이다. 고정 저항기는 카본 피막 저항기여도 상관없다. 주파수 결정용 콘덴서는 필름이다. 100pF은 반드시 OP 앰프 근처에 접속하도록 한다.

VR은 50% 위치에서 AMP1의 귀환 저항과 AMP2의 입력 저항이 같아지므로, 피드백과 피드포워드 양이 완전히 일치하여 주파수 특성이 평탄해진다.

실측 데이터는 그림 4와 같다. 10Hz~100kHz까지 완전히 평탄하게 할 수 있다. 이웃한 2개의 VR을 최대 또는 최소로 하면 게인의 산과 계곡이 생기는데, 그 차이는 거의 2dB 정도이므로 실용상 별로 신경쓰지 않아도 된다.

입력 임피던스는 1kΩ으로 낮으므로, 입력 임피던스를 높이고 싶은 경우 전압 폴로어를 앞단에 설치하도록 한다.

▲ 그림 4. 제작한 그래픽 이퀄라이저의 주파수 특성 (실측)

이웃한 주파수 간격이 넓으므로 공진 피크의 예리함을 나타내는 Q를 낮게 설정해야 한다. 각 지원 및 저항 채널 밴드의 조정 회로는 그림 5와 같이 Q=0.5, 게인 0.5배의 다중 귀환형 BPF로 구성한다. 시뮬레이션 결과는 그림 6과 같다.

▲ 그림 5. 각 밴드의 필터 회로 (다중귀환형 BPF)

▲ 그림 6. 각 밴드 BPF(그림 5)의 주파수 특성

(Q=0.5, f 0 =1kHz, 시뮬레이션)

게인 0.5배에서는 변화량 설정 저항을 설계값 절반으로 하거나 반전 앰프의 게인을 미리 2배로 하면 ±10dB의 가변량을 얻을 수 없다. S/N이 좋은 것은 후자이므로 반전 앰프의 2배를 사용했다. 최대 입력 허용전압은 절반인 3.5V RMS 정도이다. <>

스피커를 파괴로부터 보호하는 고신뢰성 보호 회로

그림 7은 기계식 릴레이를 사용한 보호 회로보다 신뢰성이 높은 MOSFET에 의한 스피커 보호 회로를 나타낸 것이다. MOSFET은 직류 동작이므로 2개를 직렬로 하여 교류, 직류 양쪽을 ON/OFF한다. 이 회로의 ON/OFF 동작 속도는 10ms 정도이다.

▲ 그림 7. MOSFET에 의한 스피커 ON/OFF 회로

제어용 전원은 앰프의 플러스 측 전원보다 12V 정도 이상의 전압이 필요하다. 차지 펌프 회로나 별도의 소형 트랜스로 승압한다.

게이트 전압은 10kΩ×1mA=10V이다. 이 1mA는 MOSFET의 기생 다이오드를 흘러 앰프에 흡수된다.<>

레코드 바늘이 포착한 미소 신호를 증폭하는 포노 이퀄라이저 회로

아날로그 레코드를 재생할 때, 레코드 바늘의 진동으로 생긴 미소 전압을 증폭한다. 이 때 고역을 차단하고 저역을 부스트하는 포노 이퀄라이저가 필요하다.

그림 8은 MM(Moving Magnet) 타입의 카트리지에서 사용 가능하며 OP 앰프 하나로 만들 수 있는 간단한 포노 이퀄라이저이다.

▲ 그림 8. OP 앰프 하나로 만들 수 있는 포노 이퀄라이저 회로

주파수 특성은 그림 9와 같다. 1kHz의 게인은 35.5dB이다. 주파수 특성은 1kHz에 대해 대략 20Hz에서 +20dB, 20kHz에서 -20dB이다.

▲ 그림 9. 포노 이퀄라이저의 주파수 특성

MC(Moving Coil) 타입의 카트리지를 사용할 경우 입력에 20dB 정도의 스텝업 트랜스를 추가한다. <>

셀렉터 ① … 마이컴을 사용하지 않고 만들 수 있는 입력 셀렉터 회로

1. 로터리 스위치와 릴레이로 만든다

그림 10은 스테레오, 2입력 셀렉터 회로를 나타낸 것이다. 셀렉터 전환은 1회로 12접점 로터리 스위치 RS-2688-0112-38N(COSLAND)이다. 전환 시 접점 사이가 쇼트되지 않으므로 릴레이 여러 개를 동시에 동작시키지 않고도 전환할 수 있다. 스토퍼의 위치를 변경하면 셀렉터 입력 수를 임의로 변경할 수 있다. 그림 10의 회로에 부품을 추가하면 스테레오, 12입력까지 대응할 수 있다.

▲ 그림 10. 2입력 셀렉터 회로

(1) 릴레이의 동작 파형을 오실로스코프로 확인한다

릴레이 동작 시 채터링이 지원 및 저항 채널 발생하는 경우도 있으므로 릴레이의 동작 파형을 확인해 둔다. 그림 11은 기계식 릴레이의 동작 확인 회로를 나타낸 것이다. 그리고 그림 12는 G6S-2(DC5V) 릴레이(오므론)의 A 접점 측에 +1.5V, B 접점 측에 -1.5V를 인가하여 릴레이 스위치의 센터 단자를 오실로스코프로 관측한 결과이다. 이 결과와 데이터시트를 참고하여 동작 시간, 귀환 시간 모두 4ms 이하로 설계했다.

▲ 그림 11. 릴레이 동작을 확인하기 위한 회로

▲ 그림 12. 릴레이의 응답 속도

(2) 로터리 스위치의 동작 파형을 확인한다

로터리 스위치는 그림 13과 같이 코먼 단자를 GND로 떨어뜨리고, 기타 단자를 전원에 풀업하여 동작을 확인했다. 스위치 전환 시간은 그림 14와 같이 7ms였다. 스위치 사용 시 5ms를 밑도는 속도로 조작하지 않도록 하기 위해 스위치 전환 시간을 5ms 이상으로 했다.

▲ 그림 13. 로터리 스위치의 실험 회로

▲ 그림 14. 로터리 스위치 전환 시간은 7ms

(3) 클램프 다이오드는 릴레이 근처에 둔다

트랜지스터 어레이 TD62083AP에는 클램프 다이오드가 내장되어 있다. 그러나 TD62083AP와 릴레이의 거리가 멀어지면 배선 임피던스가 커져 클램프 다이오드의 효과가 작아지므로 릴레이 바로 옆에 다이오드를 추가한다.

3. 음원 출력끼리 단락되지 않도록 한다

그림 10의 회로에서는 사용하는 로터리 스위치나 릴레이에 따라 음원기기끼리 단락될 수도 있다. 그 경우, 로터리 스위치와 트랜지스터 어레이 사이에 상승과 하강 지연 시간을 조정하는 딜레이 회로(그림 15)를 추가하면 음원 간 단락을 방지할 수 있다. R 1 과 C의 시정수로 트랜지스터 어레이 입력 신호의 하강 지연 시간을 정하고, R 2 와 C의 시정수로 상승 지연 시간을 정한다. R 3 는 IC B 의 입력 보호를 목적으로 하는 전류 제한 저항이다.

▲ 그림 15. 음원 출력끼리의 충돌을 피할 때에는 딜레이 회로를 추가한다

셀렉터 ② … 마이컴을 사용한 지능형 입력 셀렉터

PIC16F88과 그림 16의 셀렉터 IC NJM2755를 사용한 4입력 1출력 스테레오 셀렉터 회로를 그림 17에 나타낸다. NJM2755는 내부에 기준전압 4.5V를 갖고 있으므로 전원전압 9V로 동작시키는 것이 일반적이다. 단전원으로 동작시키려면 스위치 입출력에 디커플링 콘덴서가 필요하다.

▲ 그림 16. 셀렉터 IC NJM2755의 내부 구성

(NJM2755의 데이터시트에서 인용)

▲ 그림 17. 전용 IC NJM2755로 만든 셀렉터 회로

NJM2755의 스위치 제어 논리는 표 1과 같다. 그림 18은 전원을 넣으면 디폴트 채널이 되는 펌웨어의 흐름도이다.

▲ 표 1. 스위치 제어 논리 (NJM2755의 데이터시트에서 인용)

▲ 그림 18. 제어 마이컴 PIC16F88의 펌웨어 흐름 도

(EEPROM을 사용하지 않은 경우)

전원 OFF 직전까지 사용했던 입력 채널을 기억하는 사양으로 하려면 그림 19와 같이 한다. 채널을 전환할 때마다 EEPROM의 데이터를 다시 기록한다. 마이컴의 인터럽트 입력용 포트에 전원전압 감시용 리셋 IC 등을 접속하여 전원 OFF 시에만 다시 쓰도록 하면, EEPROM의 재기록 횟수를 절약할 수 있다. <>

▲ 그림 19. 제어 마이컴 PIC16F88의 펌웨어 흐름도

(EEPROM을 사용하는 경우)

주파수 특성 추구는 적당히 한다

어떤 주파수에서 게인을 기준(0dB)으로 하고 다른 주파수 게인을 그리면 그 앰프의 주파수 특성을 얻을 수 있다. 오디오에서는 적어도 가청 대역인 20Hz~20kHz, 여유를 보면서 DC~수백kHz까지 주파수 특성이 평탄한 앰프가 좋다고 알려져 있다.

단, 증폭단을 늘리고 게인을 가동하여 왜곡률 향상을 노리면, 안정도를 확보하기 위해 위상 보상이 무거워져 고역 특성이 나빠진다. 반대로 저역 주파수 특성을 늘리면 신호 전환 시 노이즈 등의 원인이 된다. <>

스위치 조작의 마이컴 제어 전자 볼륨

전자 볼륨은 저항, 스위치, OP 앰프만 조합한 단순한 구성으로 되어 있다. 전자 볼륨 IC에서는 지원 및 저항 채널 이러한 스위치를 마이컴으로 제어한다. 일반적인 전자 볼륨 회로는 그림 20과 같다.

▲ 그림 20. 일반적인 전자 볼륨 IC의 내부 회로

R in 은 10k~100kΩ으로 한다. R in 과 C in 사이에서 CR의 하이 패스 필터를 형성하므로 컷오프 주파수 f C 는 다음 식과 같이 된다.

여기서 f C 는 1Hz 정도 이하로 한다. C in 이 클수록 저역 특성이 좋아지지만, 전원 투입 시 C in 전압이 안정되는 시간이 길어진다.

주파수 특성으로 결정할 경우에는 그림 21을 참고한다. C out 도 똑같은 방법으로 결정한다. 저항값은 다음 단 파워 앰프 등의 입력 임피던스를 참고한다.

▲ 그림 21. 버퍼의 입력 저항 R in 과 커플링 콘덴서 C in 은 HPF를

구성한다 (주파수 특성에서 C in 을 설정한다)지원 및 저항 채널

(2) 감쇠량을 정하는 R 1 ~R 3 의 저항값

R 1 , R 2 , R 3 의 게인 조정용 저항을 결정한다. 음성 신호가 대수 변화로 출력되도록 설정하지만 단순히 저항을 직렬로 접속하여 0dB~-80dB를 조정할 수 있도록 하면 0dB 부근과 -80dB에서 1000배 정도 값이 다른 저항이 필요하다. 그래서 가능한 한 비슷한 저항값이 되도록 연구한다.

그림 22에서 볼륨 전체의 임피던스를 10kΩ, 출력 게인을 -20dB라고 하면 다음과 같이 된다.

▲ 그림 22. 게인 조정 회로 1 … 입력

임피던스를 10kΩ으로 하고, 출력을

-20d B로 한 경우 (그림 20의 A를

여기서 R 2 =10kΩ이라고 하면 다음과 같다.

R 1 =9kΩ, R 3 =4.737kΩ, R 2 /R 3 =1kΩ

R 2 의 값을 전체 임피던스 10kΩ에 맞추면 그림 22의 회로는 그림 23에 나타난 회로로 치환할 수 있다. OUTPUT1은 INPUT의 -20dB 게인으로 출력하고, OUTPUT2는 INPUT의 -40dB 게인으로 출력한다. 마찬가지로 3종류의 저항 R 1 , R 2 , R 3 만으로 -20dB, -40dB, -60dB…와 같은 식으로 출력을 얻을 수 있다.

▲ 그림 23. 게인 조정 회로 2 … R 2 의

값을 10kΩ으로 설정한 경우

(3) 감쇠 스텝을 더 작게 한다.

R 1 을 분할하면 세밀한 볼륨단 수를 얻을 수 있다. 그림 24와 같이 R 1 의 저항값을 R 1a , R 1b 로 분할하면 OUTPUT의 감쇠량 G att 는 다음에 나타난 식으로 결정할 수 있다.

▲ 그림 24. R 1 을 R 1a 와 R 1b 로 분할하면 볼륨 단수로 세밀하게 할 수 있다

G att =20log(R 1a /10kΩ)

표 2는 G att [dB]를 1dB마다 설정한 경우의 저항값을 나타낸 것이다. 20dB 이하로 하고자 할 경우에는 R 3 를 추가하고, 다시 R 1a 에서부터 반복한다. 감쇠량은 -80~100dB이면 충분하다.

그림 20과 같이 증폭 측 스위치를 추가하면 +20dB까지 증폭 측 게인 설정을 겸할 수 있다.

▲ 표 2. 감쇠량이 1dB 스텝으로 되는 저항값 설정

좌우의 음량 밸런스가 무너지지 않도록 L 채널과 R 채널의 저항 편차를 ±0.1% 이하로 한다. OP 앰프는 오프셋이 낮은 것으로 한다. 오프셋 전류가 R in 이나 ATTR에 흘러들어가 DC 오프셋 전압으로 되어 감쇠량을 전환했을 때 쇼크 노이즈가 발생하기 때문이다. 또한, 음성 신호의 최대값 2V RMS 를 여유 있게 다룰 수 있는 10V(±5V) 이상의 전원전압에서 동작하는 것을 선택한다. 스위치는 CMOS 타입의 아날로그 스위치(4066 시리즈 등)로 한다. 저항은 정밀도나 온도 특성, 가격 면에서 금속 피막 저항을 이용했다.

완성 후 음성 신호를 입력하지 않고 감쇠량을 변환하여 ‘붑’하는 노이즈가 발생할 경우, IC1에서 DC 오프셋 전압이 발생한 것이다. 100㎌ 정도의 콘덴서를 삽입한다. IC1은 계산상 0V를 출력하지만 실제로는 1mV 이상 또는 -1mV 이하가 출력되는 경우도 있다.

이 전압을 GND와의 사이에서 저항 분압하므로 감쇠량을 변환했을 때 DC 전압이 변동하여 노이즈가 발생한다.

2. 업다운 시의 노이즈 대책

그림 25와 같이 파형 정점에서 감쇠량이 변환되면 큰 노이즈가 발생한다. 그림 26과 같이 동작점 중심에서 변환하는 제로크로스 변환 방법으로 대책을 세운다.

▲ 그림 25. 어떤 대책도 세우지 않으면 감쇠량이 바뀔 때 노이즈가 발생한다

▲ 그림 26. 감쇠량 변경 시 노이즈가 나오지 않는 제로 크로스 변환 사용

콤퍼레이터 등으로 동작점을 검출하는데, 제로점 검출 정밀도 문제나 급격한 음량 변화, 낮은 주파수가 많은 음악 등에서는 검출할 수 없다. 그 외에도 일단 감쇠량 변화를 작게 하여 여러 회로 나눠 변환하는 방법이나 트랜지스터의 선형성을 이용한 것 등이 고안되고 있다. <>

스테레오 좌우의 회로는 가능한 한 멀리 한다

스테레오에서는 좌 채널과 우 채널이 독립되어 있으므로 이론적으로 각각의 신호가 독립적으로 출력되지만, 실제로는 전자 회로 내에서 간섭이 일어나 좌 채널 지원 및 저항 채널 신호 성분이 우 채널에서 흘러나오거나 반대되는 현상 등이 발생한다. 이러한 채널 간 간섭을 채널 세퍼레이션이라고 한다.

좌우 채널 배선이 가까우면 도체 사이에 공기를 두고 콘덴서를 형성하여 주파수가 높을수록 상호 배선에 신호 성분이 혼입되기 쉬워진다.

채널 세퍼레이션을 향상시키는 노하우로는 좌 채널과 우 채널 회로를 가능한 한 멀리두거나 임피던스가 높은 배선을 설치하는 것, 또는 대전류가 흐르는 곳에서 공통 임피던스를 갖지 않도록 한 점 어스로 처리하는 방법 등이 있다. <>

IC vs 저항체

전자식 볼륨 IC의 예로 사진 A의 BD3464FV(롬)를 들 수 있다. 내부 구성은 그림 A와 같다.

▲ 사진 A. BD3464FV의 외관

▲ 그림 A. BD346FV의 내부 블록

다채널 볼륨의 최대 문제는 채널 간 음량 오차이지만, IC를 사용하면 각 채널의 음량 편차 조정이 필요 없다. 또한, IC라면 경년 변화를 억제할 수 있다. 단점은, 확실히 조정된 저항체 볼륨에 대해 잡음이나 왜곡에서 한 발 양보해야 한다는 점이다. 또한, 마이컴에 의한 제어 회로도 필요하다.

<>

[반도체 특강] 채널이 만들어 내는 반도체 동작특성, 드레인 전류의 변화

블로그_5(2).jpg

트랜지스터가 동작한다는 것은, 내부에서 캐리어가 흐른다는 뜻입니다. 이때 캐리어는 반드시 채널을 지나야 정격전류가 되는데, 이 흐름은 외부 전압인 드레인전압과 게이트전압에 의해 좌우되죠. 여기서 드레인전압은 채널에 있는 캐리어를 직접 끌어당기고, 지원 및 저항 채널 게이트전압은 캐리어가 채널 속을 잘 흐르도록 통로의 두께와 폭을 넓히는 역할을 합니다. 그래서 이번에는 증가형 MOSFET의 채널을 매개체로 드레인전류를 놓고, 드레인전압과 게이트전압이 펼치는 삼각관계에 대해 알아보는 시간으로 준비했습니다.

전류야, 그 길을 건너지 마오 차단영역

https://f.hubspotusercontent40.net/hubfs/20028749/B_NewsRoom/Technology(362)/%EB%B0%98%EB%8F%84%EC%B2%B4(216)/2017/0615/%EC%B0%A8%EB%8B%A8(Cut-off)%20%EC%98%81%EC%97%AD%EC%9D%BC%20%EB%95%8C%EC%9D%98%20%ED%8A%B8%EB%9E%9C%EC%A7%80%EC%8A%A4%ED%84%B0%20%EC%B6%9C%EB%A0%A5%ED%8A%B9%EC%84%B1%EC%9D%84%20%EB%B3%B4%EB%A9%B4_1.pnghttps://f.hubspotusercontent40.net/hubfs/20028749/B_NewsRoom/Technology(362)/%EB%B0%98%EB%8F%84%EC%B2%B4(216)/2017/0615/%EC%B0%A8%EB%8B%A8(Cut-off)%20%EC%98%81%EC%97%AD%EC%9D%BC%20%EB%95%8C%EC%9D%98%20%ED%8A%B8%EB%9E%9C%EC%A7%80%EC%8A%A4%ED%84%B0%20%EC%B6%9C%EB%A0%A5%ED%8A%B9%EC%84%B1%EC%9D%84%20%EB%B3%B4%EB%A9%B4_2.png

차단(Cut-off) 영역일 때의 트랜지스터 출력특성을 보면, 드레인전압(Vds)과 상관없이 드레인전류(Id)가 거의 흐르지 않는다는 것을 알 수 있습니다. 즉, 게이트전압이 도와주지 않으면, 드레인전압만으로는 드레인전류를 흐르게 할 수 없단 말이죠. 또한 전달특성에서 이 차단영역을 봤을 때도, 게이트에 인가되는 전압이 문턱전압보다 낮다는 걸 알 수 있죠. 그렇기 때문에 트랜지스터는 전혀 움직이지 않는 꺼짐(OFF) 상태를 유지하게 됩니다.

트랜지스터와 친해지려면 알아야 할 2가지 출력특성과 전달특성

그렇다면, 출력특성과 전달특성은 무엇이기에 트랜지스터를 분석하고 이해하는 데 필요한 걸까요? 바로 이 둘을 파악해야만, 트랜지스터가 어떤 성격을 가졌고 어떻게 행동을 취하는지 알 수 있습니다. 먼저 출력특성은 출력 단자의 전압에 변화를 주고, 그 변화에 따라 출력 단자에서 나오는 드레인 전류치가 어떤 경향성을 갖는지를 파악합니다. 반면, 전달특성은 입력 단자의 전압에 변화를 주고, 출력 단자로 결과가 어떻게 전달되고 변화하는지를 관찰해야 합니다. 그리고 전압 변화에 따른 결과로 ‘전류 값이 비례하는지, 반비례하는지, 아니면 일정한 상수 값을 갖는지’ 이 세가지 경우의 수를 확인해야 합니다.

20170609_하이닉스_9탄그림_수정03(1).png

출력•전달특성의 이해를 도와주는 친구 지렛대전압

출력특성과 전달특성을 해석할 때, 지렛대전압을 사용하면 전압·전류의 특성 곡선을 더욱 폭넓게 이해할 수 있는데요. 지렛대전압을 이용한다는 것은 가변전압에 의한 전류변화 외에 다른 전압 조건을 변화시킨다는 의미입니다. 즉, 드레인전류의 입장에서 보면 가변전압에 의해 전류 값이 한 번 변한 뒤, 지렛대전압에 의해 다시 전류 값이 변하게 되는 거죠. 실질적으로는 동시에 가해주는 두 개의 전압 조건에 의해 전류 값이 변하는 셈이죠.

일반적으로 지렛대 전압은 계단식으로 적용하게 되는데, 출력특성일 때는 게이트전압을 지렛대전압으로 사용합니다. 반면, 전달특성은 드레인전압을 지렛대전압으로 사용하죠. 특히 출력특성에서는 지렛대 전압치에 따른 출력 단자의 전류 변화가 그렇지 않은 경우에 비해 최소 수 배에서 수십 배까지 큰 폭으로 변합니다. 그만큼 지렛대전압을 사용하지 않았을 때보다 드레인 전류 값의 기울기가 가파르게 변하지요.

전자들의 준비 완료 상태 Pinch-on

트랜지스터가 차단 상태일 때, 게이트 전압이 높아질수록, 채널은 커지고 두꺼워집니다. 그러다 채널이 소스(Source)단자와 드레인(Drain) 단자에 서로 맞닿게 될 때를 Pinch-on이라 합니다. 이 상태 이후로 전자들은 활성 단계로 들어가는데요. 이는 전자가 소스단자에서 드레인단자로 이동할 준비가 끝났다는 말이죠. 이때 인가된 게이트 전압의 크기를 문턱 전압(Vth, Threshold Voltage)이라 하는데요. 트랜지스터가 동작하기 시작하는 임계 값을 의미합니다. 이 임계 값에 따라 차단영역과 활성영역이 나뉘는데, 그야말로 트랜지스터의 켜짐(ON)과 꺼짐(OFF)이 결정되는 갈림길이라고 할 수 있죠. 그리고 S-D채널은 Substrate의 상층부에 매우 얇은 두께와 높은 전자캐리어밀도로 Inversion되어 있어서 전류는 거의 표면전류 형태로 흐릅니다. (▶"Channel, MOSFET라는 세상의 다리" 참조)

만남은 짧을수록 좋다 활성영역

Pinch-on 이후, 드레인전압이 높아질수록 전자의 이동이 많아집니다. 이 상태를 활성영역이라고 하는데요. 드레인전류가 활성화되었다는 의미로, 트랜지스터가 켜진(ON) 상태라고 합니다. 또한, 정상적인 저항 값을 가졌다 하여 선형저항영역이라고도 하고, 단자 3개를 갖는 진공관과 비슷한 기능을 한다는 의미로 트라이오드 영역이라고도 하죠.

자, nMOSFET을 예로 들어 볼까요? 드레인단자에서 드레인전압을 높이면, 채널에 있는 다수의 전자(캐리어)를 끌어당기게 되죠. 그에 따라 드레인전류도 점차 많이 흐르게 됩니다. 이때 게이트전압을 높이면, 드레인전압의 증가와 상승효과를 이뤄, 드레인전류 증가 폭이 급격히 커집니다. 반대로 게이트전압을 낮추면, 드레인전류의 증가 폭도 낮아지게 되죠. 스위칭 기능을 하는 트랜지스터가 켜짐(ON)과 꺼짐(OFF)을 빠르게 전환하기 위해서는, 이 활성영역 기간을 되도록 짧게 만드는 것이 좋습니다. 저항치가 O(zero)에 가깝고, 드레인전류의 기울기는 활성영역에서는 가파르게 상승해서, 차단영역에서 바로 포화영역으로 넘어가는 것이 가장 바람직한 형태죠.

https://f.hubspotusercontent40.net/hubfs/20028749/B_NewsRoom/Technology(362)/%EB%B0%98%EB%8F%84%EC%B2%B4(216)/2017/0615/%EC%9D%B4%EB%A5%BC%20%EC%9C%84%ED%95%B4%20%EB%93%9C%EB%A0%88%EC%9D%B8%EC%A0%84%EB%A5%98%EC%9D%98%20%EC%83%81%EC%8A%B9%20%EA%B8%B0%EC%9A%B8%EA%B8%B0%EB%A5%BC%20%EA%B0%80%ED%8C%8C%EB%A5%B4%EA%B2%8C%20%EB%A7%8C_1.pnghttps://f.hubspotusercontent40.net/hubfs/20028749/B_NewsRoom/Technology(362)/%EB%B0%98%EB%8F%84%EC%B2%B4(216)/2017/0615/%EC%9D%B4%EB%A5%BC%20%EC%9C%84%ED%95%B4%20%EB%93%9C%EB%A0%88%EC%9D%B8%EC%A0%84%EB%A5%98%EC%9D%98%20%EC%83%81%EC%8A%B9%20%EA%B8%B0%EC%9A%B8%EA%B8%B0%EB%A5%BC%20%EA%B0%80%ED%8C%8C%EB%A5%B4%EA%B2%8C%20%EB%A7%8C_2.png

이를 위해 드레인전류의 상승 기울기를 가파르게 만들려면, 지렛대전압으로 사용된 게이트전압을 가능한 높게 키워야 합니다. 그러면 채널이 빠르게 두꺼워져서 캐리어가 급속히 증가하죠. 사실상 드레인전압은 채널에 널린 캐리어를 끌어오기만 하면 되므로, 적정 전압이면 충분합니다. 그 적정한 전압이란, 게이트전압이 채널에 실질적으로 영향을 미치는 Vgs-Vth(게이트전압 – 문턱전압)보다 약간 적은 수준인데요. 게이트전압을 높이면 드레인전압도 높일 수 있어서 그만큼 드레인 전류의 증가 폭을 키울 수 있습니다. 결국 활성영역에서는 캐리어를 당기는 드레인전압보다는 캐리어가 지나갈 수 있도록 통로의 단면적을 높이는 게이트전압의 기여도가 더 높다고 할 수 있죠.

한편, 활성영역에서 채널은 소스(Source)단자 부근에서는 두꺼웠다가, 드레인(Drain)단자 쪽으로 갈수록 얇아지는데요. 이는 드레인전압에 의해 소스단자에서 채널로 들어오는 캐리어의 수보다 채널에 있던 캐리어들이 빠져나가 드레인단자로 흡수되는 수가 더욱 많기 때문입니다. 뿐만 아니라 드레인단자와 가까울수록 캐리어의 이동속도가 점점 빨라지기 때문이죠. 그리고 드레인전압이 커질수록 G-S사이의 전압 대비 G-D 사이의 전압이 작아지므로 채널의 두께가 줄어들게 되지요.

끝나지 않는 캐리어들의 러시아워 눈사태(Avalanche) 현상

활성영역에서 게이트전압은 그대로 두고, 드레인전압을 계속 높이면 어떻게 될까요? 드레인전압이 높아지면, 드레인전류도 계속 증가합니다. 그리고 드레인전압이 채널에 실효적 전압인 Vgs-Vth(게이트전압 – 문턱전압)보다 3배 이상 높아져도, 채널이 온전히 유지되면 채널 속 캐리어들의 숫자는 눈사태(Avalanche) 현상으로 무한정 많아지게 되죠. 하지만 문제는 전자의 도착점인 드레인단자 부근에 캐리어들이 컨트롤(Control)할 수 없을 정도로 많아지면, MOSFET가 동작불능 상태로 빠지게 됩니다.

눈사태(Avalanche)를 막아주는 Pinch - off

그렇지만, 대부분 트랜지스터는 눈사태가 나기 전, 역 바이어스가 된 Drain Junction(Jd)에서 공핍 영역이 두꺼워지면서 드레인전류의 끝없는 증가를 막아줍니다. 그리고 여기서 Jd의 결핍영역(공핍층)이 확장되어 채널이 드레인단자와 끊어진 상태를 Pinch-off라 합니다. (▶"공핍층, 연금술의 결정체"참조) 대개 채널이 Pinch-off 되면, 전자가 건너야 할 다리가 끊어져 캐리어의 이동도 중단되어야 합니다. 그러나 드레인전압이 충분히 크면, 캐리어들은 끊어진 채널을 뛰어넘고, p_Sub의 높은 저항마저 헤치며 드레인단자로 이동합니다. 캐리어들이 길이 없는 곳을 지나가는 것이지요. 또한, 드레인단자 부근의 캐리어들은 드레인단자로 가까이 갈수록 이동성(mobility)이 증가하기 때문에, 더욱 쉽게 채널을 빠져나갑니다. 결국 드레인전압이 커질수록 채널의 길이는 반비례하여 더욱 짧아지지만, 높은 드레인전압의 영향으로 캐리어의 빠른 이동이 서로 보상되어 전체 드레인전류는 완만하게 증가를 하게 되는 셈입니다.

더 이상의 전류는 필요없다 포화영역

https://f.hubspotusercontent40.net/hubfs/20028749/B_NewsRoom/Technology(362)/%EB%B0%98%EB%8F%84%EC%B2%B4(216)/2017/0615/%EC%9D%B4%EB%A0%87%EA%B2%8C%20%EB%93%9C%EB%A0%88%EC%9D%B8%EC%A0%84%EC%95%95%EC%9D%B4%20%EA%B3%84%EC%86%8D%20%EB%86%92%EC%95%84%EC%A0%B8%EB%8F%84%2c%20%EB%93%9C%EB%A0%88%EC%9D%B8%EC%A0%84%EB%A5%98%EA%B0%80_1.pnghttps://f.hubspotusercontent40.net/hubfs/20028749/B_NewsRoom/Technology(362)/%EB%B0%98%EB%8F%84%EC%B2%B4(216)/2017/0615/%EC%9D%B4%EB%A0%87%EA%B2%8C%20%EB%93%9C%EB%A0%88%EC%9D%B8%EC%A0%84%EC%95%95%EC%9D%B4%20%EA%B3%84%EC%86%8D%20%EB%86%92%EC%95%84%EC%A0%B8%EB%8F%84%2c%20%EB%93%9C%EB%A0%88%EC%9D%B8%EC%A0%84%EB%A5%98%EA%B0%80_2.png

이렇게 드레인전압이 계속 높아져도, 드레인전류가 일정 수준에 머무르는 현상을 포화라고 합니다. 이는 드레인전압의 증가와 채널의 Pinch-off 상태, p_Sub의 저항이 결합한 결과인데요. 전류의 증가가 한계에 도달한 상태죠. 때문에 활성영역에서 드레인전류가 증가했던 것처럼, 급격히 증가하지는 못하게 된 것입니다. 물론, 드레인전류가 포화된 상황에서도 드레인전압이 높아지면, 드레인전류가 약간씩 상승하지요. 이는 채널 OFF 영역이 길어지는 영향보다 채널 내 캐리어들의 전도도가 높아지는 영향이 조금 더 많아지기 때문입니다. 그러나 이런 미약한 상승분을 무시한다면, 포화영역에서 이동하는 캐리어는 드레인전압보다는 지렛대 역할을 하는 게이트전압의 영향을 더 크게 받는다고 할 수 있습니다. 즉, 채널의 두께에 미치는 영향이 드레인전류를 많이 흐르게 하는데 제일 크다고 할 수 있습니다.

지금까지 약 4개 챕터에 걸쳐서 트랜지스터의 기본개념인 결핍(공핍)영역과 채널에 대해 알아보았습니다. 물리화학적 영역은 물론, 인가하는 전압과의 관계, 캐리어들의 움직임, 트랜지스터의 ON/OFF 동작을 나타내는 드레인전류의 변화 등 다양한 정보를 소개했는데요. 다음 챕터에서는 드레인전류의 시작점인 문턱전압(Threshold Voltage)을, 그리고 순차적으로 MOS의 n형과 p형을 합친 CMOS(Complementary MOS)에 대해 살펴보겠습니다. 이 부분까지 숙독하면, 트랜지스터의 기본 움직임에 대해서는 어렴풋이 감을 잡았다 할 수 있죠. 그리고 조금 더 나아가, 트랜지스터에 인가되는 에너지(에너지 밴드)에 의해 캐리어들이 어떻게 반응하는지를 알면 더 좋습니다.

로옴, 업계 최고 '저 ON 저항' Pch MOSFET 출시

로옴이 17일 공장 자동화 기기나 로봇 등에 사용할 수 있는 24종의 P채널 전계효과 트랜지스터(Pch MOSFET)를 출시한다고 밝혔다.

이번에 출시한 P채널 전계효과 트랜지스터는 종류별로 -40볼트 및 -60볼트 내압을 지원하는 업계 최고 수준의 저 ON 저항을 실현한 것이 특징이다.

로옴이 출시한 최신형 P채널 전계효과 트랜지스터. (사진=로옴)지원 및 저항 채널 지원 및 저항 채널

로옴 측은 "최근 전원 회로에서 높은 입력전압이 사용되는 케이스가 증가함에 따라 MOSFET에서도 저 ON 저항화뿐만 아니라 고내압에 대한 기대가 높아지고 있다"며 "ON 저항은 -40볼트 내압 제품의 경우 기존품 대비 62% 저감, -60볼트 내압 제품의 경우 기존품 대비 52% 저감해 기기의 저전력화와 소형화에 기여할 수 있다"고 강조했다.

(자료=로옴)

또 "폭넓은 용도에 대응할 수 있도록 다양한 패키지를 전개함과 동시에 오토모티브 대응 제품도 개발할 예정"이라며 "또 최근 수요가 확대되는 서버 및 5G 기지국에 적합한 제품군을 강화하기 위해 Pch MOSFET와 더불어 고효율의 Nch MOSFET의 개발을 추진해 나갈 계획"이라고 전했다.

모스 전계효과 트랜지스터는 금속 산화막 반도체(MOS·Metal Oxide Semiconductor)를 기반으로 만든 전계효과 트랜지스터(FET·field effect transistor)를 말한다. 이는 절연체(Oxide)와 도체(Meta), 반도체(Semiconductor)를 쌓아 올린 구조로, 전기장에 의해 전자 또는 양공을 흐르게 하는 전계 효과를 활용해 전류나 전압 흐름을 조절한다.

모스 전계효과 트랜지스터는 종류별로 소스에 대해 음의 전압을 게이트에 인가하면 도통(전류가 흐르는) 상태가 되는 P채널 MOSFET과 소스에 대해 양의 전압을 게이트에 인가하면 도통 상태가 되는 N채널 MOSFET로 나뉜다.

    2020.12.08 2020.11.19 2020.11.17 2020.10.27

ON 저항은 MOSFET을 동작할 때 드레인(높은 전압을 가하는 전극)과 소스(낮은 전압을 가하는 전극)간의 저항치를 뜻한다. 이 저항치가 작을수록 동작 시 전력손실이 작다.

지원 및 저항 채널

도시바(Toshiba)스토리지/디바이스 솔루션 컴퍼니(Storage & Electronic Devices Solutions Company)가 저전압 N-채널 파워 MOSFET(금속산화막 반도체 전계효과 트랜지스터)의 ‘U-MOS IX-H 시리즈’에 업계 선도의 저 ON-저항 및 고속 성능을 구현하는 40V 및 45V 신제품을 추가한다고 지난 9일 밝혔다.

신제품-40V 버전 9개와 45V 버전 5개-은 고효율 DC-DC 컨버터, 고효율 AC-DC 컨버터, 파워 지원 및 저항 채널 서플라이 및 모터 드라이브를 포함한 기업 및 소비자 애플리케이션용으로 설계되었으며, 신규 MOSFET은 업계 선도의 저 ON-저항 및 고속 성능을 구현하기 위해 도시바의 차세대 저전압 트렌치 구조 U-MOS IX-H 프로세스를 사용했다.

새로운 구조는 현 도시바 제품을 능가하는 수준으로 애플리케이션 스위칭을 향상시켜 ‘RDS(ON) Qsw’의 성과 지표를 낮췄다. 출력 전하 감소를 통해 효율을 높이고 출력 손실도 개선했다. 아울러 신규 MOSFET에 사용된 셀 구조는 스위칭 중에 스파이크 전압과 울림을 줄이는데 최적화되어 있어, EMI(전자파 간섭)을 감소시킨다.

주요 특징으로는 4.5V 로직 레벨 드라이브를 지원하며, 저 출력 전하, 저소음, 업계 선도의저 ON-저항으로 RDS(ON)= 0.80 mΩ (최대) @VGS= 10V (TPWR8004PL), RDS(ON)= 0.99 mΩ (최대) @VGS= 10V (TPW1R005PL) 등이 있다.


0 개 댓글

답장을 남겨주세요