이 실습의 목적은 입력 구형파(square wave)에 의해 게이팅되어 짧은 버스트 형태의 사이클을 출력하는 펄스 오실레이터의 특성을 살펴보는 것이다.


배경

정현파(sine wave) 오실레이터는 설정된 주파수의 출력 파형을 지속적으로 생성할 것이다. 즉, 연속적으로 동작한다. 그러나 레이더 장비와 같은 여러 전자 회로에서는 오실레이터가 특정 시간 동안만 켜져야 하고, 이후 다시 필요할 때까지 꺼진 상태를 유지해야 하는 경우가 있다. 이러한 회로를 펄스(pulsed) 오실레이터 또는 링잉(ringing) 오실레이터라고 한다. 

이들은 기본적으로는 특정 시점에 켜지고 꺼지는 방식으로 동작하는 정현파 오실레이터이다. 그림 1은 이미터 회로에 공진 탱크가 포함된 펄스 오실레이터의 회로도를 보여준다. V_GATE에 양(+)의 입력이 인가되면 Q1이 강하게 도통하며 전류가 L1을 흐르게 된다. 따라서 이때는 오실레이션이 일어나지 않는다. 반대로 V_GATE에 음(-) 방향의 입력 펄스가 인가되면 Q1이 차단되고, 공진 탱크는 게이트 입력이 끝나거나 링잉이 소멸할 때까지 진동을 발생시킨다.

 

이 회로가 어떻게 동작하는지 이해하기 위해, LC 탱크 회로의 Q 값이 감쇠가 발생하지 않을 정도로 충분히 높다고 가정한다. 입력 게이트 신호가 음의 방향으로 이동하는 구간(T0~T1, T2~T3)에서 회로의 출력이 발생한다. 그 외의 시간(T1~T2)에는 트랜지스터가 강하게 도통하여 회로에서 출력이 발생하지 않는다. 입력 게이트의 폭은 출력 신호의 지속 시간을 제어한다. 게이트 폭을 넓게 할수록 출력이 더 오래 진동한다.

LC 탱크의 공진 주파수는 공식 1을 통해 구할 수 있다:



펄스 오실레이터는 다양한 애플리케이션을 위한 여러 방식들이 있다. 그림 1에 제시된 회로도는 이미터 부하(emitter-loaded) 방식의 펄스 오실레이터이다. 공진 탱크 회로는 컬렉터 측에 배치할 수도 있는데, 이 경우에는 컬렉터 부하(collector-loaded) 방식의 펄스 오실레이터라고 한다. 이미터 부하형과 컬렉터 부하형의 차이는 출력 신호의 방향에 있다. NPN 트랜지스터 기반의 이미터 부하형 펄스 오실레이터에서는 첫 번째 사이클이 음의 방향으로 시작되지만, 컬렉터 부하형에서는 첫 사이클이 양의 방향으로 시작된다. PNP가 사용될 경우, 두 방식 모두에서 첫 번째 사이클의 방향이 반대로 바뀐다.

지금까지 피드백에 대한 언급이 없다는 점을 눈치챘을 것이다. 연속적인 오실레이션을 유지하기 위해서는 일반적으로 양의 피드백이 필요하다. 그러나 펄스 오실레이터의 경우, 매우 짧은 시간 동안만 진동을 발생한다. 트랜지스터를 차단하는 입력 게이트의 폭이 넓어지면, 피드백이 없기 때문에 게이트 기간의 끝부분 가까이에서 사인파의 진폭이 감소(감쇠)하기 시작한다. 만약 특정 애플리케이션에서 더 긴 오실레이션이 필요하다면 피드백을 포함하는 오실레이터 회로를 사용해야 한다. 이 경우, 피드백 네트워크가 원하는 시간 동안 진동을 유지하는 점만 다르다. 

준비물

• ADALM2000 액티브 러닝 모듈
• 솔더리스(solderless) 브레드보드
• 점퍼 와이어
• 소신호 NPN 트랜지스터 1개(2N3904)
• 470kΩ 저항 1개
• 100µH 인덕터 1개
• 100pF 커패시터 1개
• 0.1µF 커패시터 1개 

실습 방법

그림 2에 나타낸 펄스 오실레이터 회로를 솔더리스 브레드보드 위에 구성한다. 회로도에 표시된 사각형은 ADALM2000 모듈의 임의파형 발생기(AWG), 스코프 채널, 전원 공급을 연결해야 하는 위치를 나타낸다. 전원은 반드시 모든 배선을 꼼꼼히 확인한 뒤에 켜도록 한다.
 
하드웨어 설정

AWG1을 피크-투-피크 1.4V 진폭, 오프셋 0V의 구형파로 설정한다. 주파수는 50kHz로, 듀티 사이클은 50%로 맞춰 구형파의 High 상태가 전체 주기의 절반이 되도록 한다. 두 개의 스코프 입력 모두 500mV/div로 설정하고, 타임베이스는 2µs/div로 설정한다. 트리거는 채널 1의 하강 에지(falling edge)로 설정한다. 브레드보드 연결은 그림 3을 참고한다.




실습 진행

+5V 전원을 켜고 AWG를 실행한다. 출력 파형을 관찰했을 때, AWG1 구형파의 하강 엣지에서 시작하여 상승 에지에서 끝나는 몇 사이클의 사인파 버스트 형태가 나타나야 한다(그림 4).
 
출력 사인파가 접지(0V)를 중심으로 양과 음의 방향으로 스윙하는 것을 확인한다. 출력 사인파의 주파수를 측정하고, 출력 사인파 버스트의 첫 번째 사이클과 마지막 사이클의 피크-투-피크 진폭을 각각 측정한다. 버스트 시작과 끝 사이에서 진폭이 얼마나 감소했는지 확인한다.

질문

펄스 오실레이터란 무엇인가?
펄스 오실레이터는 주로 어떤 용도로 사용되는가?

답변은 ADI 스튜던트존(StudentZone) 블로그 포스팅 에서 확인할 수 있다.


저자 소개

안토니우 미클라우스(Antoniu Miclaus)는 아나로그디바이스(Analog Devices)에서 소프트웨어 엔지니어로, 리눅스 및 비OS(non-OS) 드라이버용 임베디드 소프트웨어 개발, ADI 학술 프로그램, 품질 보증(QA) 자동화, 프로세스 관리 등을 담당하고 있다. 그는 2017년 2월 루마니아 클루지-나포카(Cluj-Napoca)에 위치한 ADI에 입사했다. 그는 바베시-보요이 대학교(Babes-Bolyai University)에서 소프트웨어 공학 석사(M.Sc.), 클루지-나포카 기술대학교(Technical University of Cluj-Napoca)에서 전자 및 통신공학 학사(B.Eng.) 학위를 받았다.