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제 3 장 아날로그 신호의 발생

측정하고자 하는 신호가 신호원에서 직접 발생하는 경우도 있지만(예: 저항에 의한 열잡음),

많은 경우에는 측정 장치에서 신호원에 특정한 신호를 가해준 뒤 그 반응을 측정합니다.

대표적인 예가 물체의 전기저항을 측정하기 위해서 전압(또는 전류)을 가한 뒤 흐르는 전류

(또는 물체 양단의 전압강하)를 측정하는 I-V 측정의 경우입니다. 이처럼 측정을 위해서

가해주는 신호가 일정 전압(또는 전류)인 경우도 있지만, 교류 저항(임피던스)의 측정에서와

같이 일정 주파수의 정현파 신호일 수도 있고 또, 펄스 핵자기공명(nuclear magnetic

resonance, NMR) 실험에서와 같이 일정한 주파수의 짧은 고주파 펄스(rf pulse)인 경우도

있습니다. 정보를 멀리 전달하기 위하는 등의 목적으로 전자기파를 발생시키기 위해서는

주기적인 전압(전류)신호를 필요로 하고, 주기적인 전압을 변조시킨 신호를 검출하기 위한

목적으로도 주기적으로 변하는 신호가 필요합니다.

이처럼 주기적으로 변하는 아날로그 신호는 물리학 측정에서 자주 사용되므로, 어떻게 그

같은 신호를 발생시킬 수 있는지와 발생된 신호의 특성은 어떤지를 알고, 아날로그 신호를

발생시키는 전자회로를 이해하는 것은 중요합니다.

일반적으로 직류가 아닌(직류발생기는 전원이라고 부릅니다.) 시간에 따라서 변하는 (전압)

신호를 발생하는 장치 또는 회로를 신호발생기(signal generator)라고 부릅니다. 이중에서

ON/OFF 상태만을 이용하는 디지털 신호발생기와는 달리 시간에 따라서 연속적으로 변하는

전압신호를 발생하는 아날로그 신호발생기를 살펴봅니다.

신호발생기는 발생하는 신호의 주파수에 따라서

저주파 신호발생기(low frequency signal generator) f < 20Hz

오디오 신호발생기(audio frequency signal generator) f = 16Hz ~ 10kHz

rf 신호발생기(radio frequency signal generator) f = 10kHz ~ 1GHz

마이크로웨이브 신호발생기(microwave signal generator) f = 1GHz ~ 100GHz

테라헤르츠 신호발생기(terahertz signal generator) f > 0.1THz

로 구분할 수 있으며, 발생하는 신호의 파형에 따라서는

주파수발생기(frequency generator) - 한 가지 주파수의 신호를 발생

휩씀 신호발생기(sweep signal generator) - 신호의 주파수를 휩쓸며 발생

간헐 신호발생기(tone burst signal generator) - 교류 펄스 신호를 발생

함수발생기(function generator) - 정현파, 삼각파, 사각파 등 여러 가지 파형의

신호를 발생

임의파형 발생기(arbitrary waveform generator) - 임의 형태의 파형을 발생

등이 있으며, 주기적인 신호의 발생방법에 따라서는 정현파 신호를 발생시키는 선형 발진기

(linear oscillator 또는 harmonic oscillator)방법과 삼각파 또는 톱날파 신호를 발생하는

비선형 발진기(nonlinear oscillator 또는 relaxation oscillator)가 있습니다.

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1) 선형 발진기(linear oscillator, harmonic oscillator)

정현파를 발생시키는 선형 발진기에는 바로 되먹임(positive feedback)을 한 증폭기회로와

전류-전압의 음저항(negative resistance)특성을 이용하는 방법이 쓰이고 있습니다.

(1) 되먹임 발진기(feedback oscillator)

증폭기 출력의 일부를 입력 측으로 되돌려줄 때 입력신호와 같은 위상이 되도록 위상차를

조절해주면(바로 되먹임, positive feedback) 신호가 계속 증폭되는 효과가 있습니다.

이때 출력전압이 일정한 크기의 정현파신호가 되기 즉, 증폭기회로에서 발진(oscillation)이

일어나기 위해서는 되먹임 신호의 위상조건과 함께 증폭기의 열린회로 전압증폭율

≡│

│

과 되먹임회로의 되먹임율

≡│

│

의 곱인 닫힌회로 전압증폭율(closed loop voltage gain)

이 되어야 합니다.

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(되먹임 증폭기에서 발진이 일어나기 위한 조건)

그 이유는 아래 그림과 같이 증폭기회로의 전원스위치를 ON 시켰을 때 발생하는 전압요동

등에 따른 작은 입력신호가 증폭되어(닫힌회로 증폭율 ) 점차로 커지면서 증폭기의

열린회로 전압증폭율이 줄어들어서 닫힌회로 전압증폭율이 이 되면 더 이상 변화가

없이 일정한 크기의 신호를 유지하기 때문입니다.

되먹임회로에 특정 주파수를 선택하는 여과기를 넣으면 발진이 특정 주파수의 신호로 일어

나게 됩니다. 여과기 회로의 종류에 따라서 RC, LC 및 수정결정 발진기회로로 나뉩니다.

① RC 발진기(RC oscillator) 회로

되먹임회로의 여과기로서 저항(R)과 축전기(C)를 연결하여 사용하는 발진기회로로서 주로

오디오신호나 아주 낮은 주파수 신호를 발생하는데 사용합니다. 대표적인 예로는 위상지연

(phase shift) 발진기와 빈 브릿지(Wien bridge) 발진기가 있습니다.

위상지연 발진기회로는 다음 그림과 같으며 출력신호를 3단의 RC 고역통과 여과기(high

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pass filter)를 거쳐 OP amp 의 뒤집는 입력단(- input)에 가해주는 형태입니다. C1 = C2

= C3 = C 이고 R1 = R2 = R3 = R 이라면, 이 여과기를 통해서는 되먹임 저항

일 때 주파수

의 정현파 신호를 발생합니다.

Ex. 1 위 되먹임 저항 와 발진 주파수 를 유도해 보고

실제로 RC 되먹임 발진기를 꾸며서 확인해 본다.

빈 브릿지 발진기회로는 아래 그림과 같이 4개의 저항(R1, R2, Rb, Rf)과 2개의 축전기

(C1, C2)로 이루어진 브릿지를 되먹임회로에 사용합니다.

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R1 = R2 = R 이고, C1 = C2 = C 일 때 이 회로가 발진하는 주파수는

가 됩니다.

Ex. 2 위 빈 브릿지 발진기의 발진 주파수 를 유도해 보고

실제로 빈 브릿지 발진기를 꾸며서 확인해 본다.

② LC 발진기(LC oscillator) 회로

되먹임회로의 여과기로서 코일(인덕턴스 L)과 축전기(전기용량 C)를 연결하여 껴울림회로로

사용하는 발진기회로로서, 껴울림회로의 특성 때문에 특정한 주파수로 발진이 용이하며,

주로 라디오 신호 등 높은 주파수 신호를 발생하는데 사용합니다. 대표적인 예로서는

Hartley 발진기 회로, Colpitts 발진기 회로 및 Clapp 발진기 회로들이 있습니다.

Hartley 발진기의 되먹임회로는 두개의 코일과 한 개의 축전기로 이루어진 껴울림회로이며

콜렉터전압이 입력(베이스)전압과 180o 위상차가 나기 때문에 껴울림회로가 180o 위상차를

주어 바로 되먹임이 되도록 합니다. 이 발진기 회로에서 발진주파수는

≃

입니다.

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변형도 존재하는데 아래 그림은 접합형 전기장효과 트랜지스터(junction field effect

transistor, JFET) 소스 따르기(source follower)회로로서, 소스 따르기의 (열린회로) 전압

증폭율이 1보다 작기 때문에, 소스 전압을 승압하여 게이트(gate)에 되먹임시키는 방법을

사용한 회로이며, 두 코일의 인덕턴스를 L1 과 L2, 두 코일의 결합지수(coupling factor)를

k 라고 하면 발진주파수는

가 됩니다.

Ex. 3 위 Hartley 발진기의 발진 주파수 를 유도해 보고

실제로 Hartley 발진기를 꾸며서 확인해 본다.

Colpitts 발진기에서 되먹임 회로는 두 개의 축전기(C1, C2)와 한 개의 코일(L)로 이루어져

있습니다. 이때도 콜렉터전압이 입력(베이스)전압과 180o 의 위상차가 나기 때문에 껴울림

C L1

L2

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회로가 180o 위상차를 주어 바로 되먹임이 되도록 합니다. 이 발진기의 발진주파수는

입니다.

아래 그림은 다른 Colpitts 발진기회로로서 콜렉터전압을 에미터로 되먹임하는 방법입니다.

콜렉터전압은 에미터전압과 180o 위상차가 나므로, 되먹임회로에서 추가로 180o 위상차를

주어 바로되먹임을 시킵니다. 코일 L1 은 콜렉터 교류저항(임피던스)의 역할을 하며, 교류

(고주파)적으로는 C1, C2 와 함께 LC 병렬 껴울림회로를 구성하여, 특정 껴울림주파수에서

임피던스가 최대가 됩니다. 따라서 출력전압도 최대가 됩니다.

Ex. 4 위 Colpitts 발진기의 발진 주파수 를 유도해 보고

실제로 Colpitts 발진기를 꾸며서 확인해 본다.

Clapp 발진기의 되먹임 회로는 Colpitts 발진기에서와 같이 두 개의 축전기(C1, C2)와 한

개의 코일(L)로 이루어지되, 코일과 직렬로 축전기(C0)를 추가한 것입니다.

그림의 회로에서는 접합형 전기장효과 트랜지스터(JFET)의 소스 따르기(source follower)

회로로서 소스전압과 입력(게이트)전압이 같은 위상이므로 되먹임회로에서 별도의 위상차

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없이 바로되먹임을 시킵니다. 이 회로의 발진주파수는

입니다.

Ex. 5 위 Clapp 발진기의 발진 주파수 를 유도해 보고

실제로 Clapp 발진기를 꾸며서 확인해 본다.

③ 수정결정 발진기(quartz crystal oscillator) 회로

되먹임회로의 여과기로 수정 결정편(quartz crystal)을 사용하는 발진기 회로입니다. 수정은

압전체로서 거꿀 압전효과를 갖습니다. 즉, 수정 결정편에 입혀진 전극사이에 교류 전압을

가하면 결정편에는 같은 주파수의 역학적 진동이 일어납니다.

(수정 결정편의 진동 모드들)

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결정편의 결정방향에 따라서 일어나는 진동의 형태가 결정되며, 결정편의 크기(두께 등)에

따라서 서있는 역학적 파동이 생기는 껴울림 진동수들이 결정됩니다.수정결정 발진기에서는

껴울림 진동수에 해당하는 주파수로 발진을 일으키는데, 수정 결정편의 역학적인 Q 값이

매우 크기(104~105) 때문에 껴울림 곡선이 매우 날카로와서(선폭이 껴울림 주파수의

10-5~10-4 밖에 되지 않음) 일정한 주파수로 발진을 일으키는데는 LC 발진기(Q 값 ~ 100)

보다 유리합니다.

그러나 온도에 따라서 수정 결정편의 껴울림 진동수가 변하는데 결정면을 잘 택하면(예:

AT-cut) 사용하는 온도 주위에서는 온도에 따른 껴울림 진동수의 변화를 최소로 할 수가

있습니다. 더 나은 주파수 안정도의 발진기를 위해서는 온도가 일정하게 조절된 오븐 안에

수정 결정편을 넣어두고 발진을 시키는 오븐-조절 수정 발진기(oven-controlled crystal

oscillator, OCXO), 수정 결정편의 온도변화에 따른 주파수변화를 보상하는 온도보상 수정

발진기(temperature- compensated crystal oscillator, TCXO) 등이 쓰입니다.

다음은 수정발진기의 주파수 안정도를 다른 정밀 발진기들과 비교한 것입니다.

HP frequency counter 안에

내장된 오븐-조절 수정 발진기

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껴울림을 일으키는 수정 결정편은 전기적으로 아래의 등가회로로 나타낼 수 있습니다. 등가

회로는 결정편의 역학적인 진동특성을 나타내는 인덕턴스 L, 전기용량 Cs, 전기저항 R 의

직렬연결과, 전기적인 특성을 나타내는 병렬 전기용량 Cp 로 구성이 되어 있습니다.

이 수정 진동자 등가회로의 임피던스를 라고하면, 리액턴스(reactance)성분

의 주파수에 따른 변화는 아래 그림과 같이 두 주파수 와 에서 각각 0 이 됩니다.

이 주파수들이 수정 결정편에서 껴울림이 일어나는 주파수로서 를 직렬 껴울림 주파수,

를 병렬 껴울림 주파수라고 부르며 각각

≈

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입니다. 실제로 수정결정 발진기의 발진주파수는 수정편의 경계조건에 의해서 결정되는데

두 전극을 열린회로 조건(높은 임피던스 부하에 연결)으로 사용하면 병렬 껴울림 주파수로,

닫힌회로 조건(낮은 임피던스 부하에 연결)으로 사용하면 직렬 껴울림 주파수로 발진하며,

수정편에 병렬로 축전기를 연결하면 발진 주파수를 조금 낮게 조절할 수 있습니다.

수정 결정편의 역학적인 진동은 기본진동수의 정수배가 되는 진동수에서도 서있는 파동을

형성합니다. 이를 이용하면 수정발진기를 써서 고조파(overtone)의 발진도 가능합니다.

실제로 기본진동수가 높은 수정편을 만들려면 두께를 아주 얇게 해야 하기 때문에 20MHz

이상의 기본진동수를 갖는 수정편을 만들기가 어렵습니다. 이보다 더 높은 주파수의 모든

수정발진기는 기본 진동수의 3배, 5배 또는 11배가 되는 고조파 발진을 시킨 것입니다.

수정결정을 사용한 발진기회로에도 Colpitts 회로, Pierce 회로 등 여러 가지가 있습니다.

코일 한 개와 축전기 두 개를 사용하는 Colpitts 발진기 회로에서 코일 대신에 수정진동자

(XT)를 사용한 Colpitts 수정발진기 회로의 한 예는 아래와 같습니다. 여기서 C1 과 C2 는

충분히 큰 전기용량으로 택해 수정진동자가 직렬 껴울림주파수 로 진동하도록 하되 출력

신호를 너무 감쇄시키지 않도록 택합니다.

다음 그림의 Pierce 회로는 Colpitts 수정발진기 회로의 변형으로서, 수정 진동자의 직렬

껴울림주파수에서 임피던스가 최소가 되어 발진이 일어납니다.

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Ex. 6 수정결정 발진기는 수정편에 흡착되는 분자들에 의해서도 발진주파수가

변하여 이를 이용해서 흡착하는 분자들의 양을 재는 도구로도 활용된다.

수정결정 발진기를 제작하여 결정편에 입김을 불어 수증기를 흡착할 때

발진주파수가 얼마나 변하는지 확인해 본다.

(2) 음저항 발진기(negative resistance oscillator)

전자소자들 중에는 전압 대 전류(I-V) 특성이 단조롭지가 못하고 전압이 증가할 때 전류가

증가하다가 어느 전압 이상이 되면 오히려 전류가 감소하는, 그래서

로 동적인 저항

을 정의하면, 저항이 음수가 되는 음저항(negative resistance)의 특성을 갖고 있는

소자들이 있습니다. 대표적인 예가 마이크로웨이브 발생용 소자들인 magnetron, tunnel

다이오드와 Gunn 다이오드들입니다.

위 I-V 그림에서 전압 과 사이의 영역이 음저항 영역입니다. (주의: 음저항이라고

해서 전류가 전압과 반대방향으로 흐른다는 것은 아닙니다.) 음저항 특성을 갖는 소자들은

불안정성을 갖습니다. 즉, 그림에서 전류 가 과 사이의 값을 가질 때 해당 전압이

세 가지나 있어서 소자가 어떤 전압을 띌지 결정하지 못하는 불안정성을 말합니다. 전류를

0 (O점) 에서부터 E 점까지 증가시켰다가 감소시키면 증가할 때는 O → A → B → C →

D → E 로 전압이 증가하고, 감소시킬 때는 E → F → G → A → O 로 감소하는 이력

(hysteresis)특성을 보입니다. 따라서 이력영역 안의 전류가 흐를 때 세 가지 전압 중에서

가운데(음저항 영역 안에 있는 점) 것은 불안정한 상태여서 제외되고, B 와 F 에 해당하는

전압으로 주기적으로 변하는 변화가 일어나게 됩니다.

음저항 소자를 써서 발진회로를 구성하려면 음저항 소자와 발진주파수의 껴울림회로를 함께

사용하면 됩니다. 음저항 소자의 특성이 껴울림회로의 신호감쇄를 상쇄시켜 일정한 출력을

얻을 수 있기 때문에 증폭기를 쓰지 않고도 발진이 일어납니다.

···

O

A

B

C D

F

G

E

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① 마그네트론(magnetron)

레이더나 마이크로웨이브 오븐에 쓰이고 있는 마그네트론은 자기장 내에서 운동하는 전자

빔의 금속 빈 구멍(cavity)과의 상호작용에 의해 마이크로웨이브 주파수의 전자기파를 발생

하는 기구입니다.

음저항 특성과 껴울림 구조(빈 구멍)를 마그네트론 자체가 갖고 있기 때문에, 히터 전원과

양극에 고전압(~ 4kV) 직류전원을 가해주면, 빈 구멍의 크기에서 결정되는 마이크로웨이브

주파수의 마이크로웨이브를 발생합니다.

마이크로웨이브 오븐은 마그네트론의 전원 외에도 여러 가지 콘트롤 및 디스플레이 기능을

갖고 있습니다. 따라서 마이크로웨이브 오븐의 회로구성도 복잡한데 대표적인 기능에 대한

개념도가 다음 그림에 있습니다.

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(마이크로웨이브 오븐 전자회로의 구성)

② 터널 다이오드(tunnel diode, Esaki diode)

터널 다이오드는 p-n 접합(junction) 다이오드의 한 부류로서 제작할 때 특별히 반도체물질

(Ge, Si, GaAs 등)에 불순물 첨가(doping)를 많이 한 것입니다.

(터널 다이오드의 표시) (터널 다이오드 1N3716)

그러면 p 영역 가전자대(valence band)의 홀 상태 에너지준위와 n 영역 전도대(conduction

band)의 전도전자 상태 에너지준위가 같은 에너지로 정렬되며, 공핍층(depletion layer)의

두께도 아주 얇아(~10nm) 전자와 홀의 양자역학적 터널링(tunneling)이 일어나게 됩니다.

pn 접합의 순방향으로 전압을 증가시키면 p, n 영역의 에너지준위의 변화에 따라 처음에는

터널링이 증가하다가 감소하게 되어 전류도 증가하다가 감소하고, 더 증가시키면 일반적인

pn 접합 다이오드에서와 같이 순방향 전류가 흘러 전류가 증가합니다. 즉, 전압이 증가할

때 터널링에 의한 전류가 감소하는 음저항 영역이 있습니다.

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(순방향 전압이 가해진 터널 다이오드의 에너지 준위)

(터널 다이오드의 전압 대 전류 특성)

터널 다이오드를 사용한 발진기 회로의 예는 아래 그림과 같습니다.

터널링에 의한

전류

접합을 통해

흐르는 전류

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Ex. 7 기성품 터널 다이오드가 아닌 수제품(home made) 터널 다이오드의

음저항 특성을 조사하고, 발진회로를 제작한 흥미로운 사례가 있다.

(http://www.sparkbangbuzz.com/els/ntype-nr-el.htm) 이를 참고해서 자신의

터널 다이오드를 찾아본다.

③ Gunn 다이오드

마이크로웨이브 발생에 주로 사용되는 Gunn 다이오드는 GaAs 같은 반도체물질의 특이한

에너지 띠 구조에서 발생하는 Gunn 효과를 이용한 것입니다. pn 접합 다이오드와는 달리

Gunn 다이오드는 n 형 반도체로만 구성되어 있습니다. 양 끝에는 불순물을 많이 첨가하고

가운데 얇은 층은 적게 첨가한 구조로 만듭니다. 전압을 다이오드 양끝에 가하면 일반

(반)도체에서와 같이 전압에 비례해서 전류가 흐르다가, 어느 이상이 되면 전류가 감소하게

됩니다. 즉, 음저항의 특성을 보입니다. 이것은 GaAs 의 전압-전류 특성을 조사하던

Gunn 에 의해서 큰 잡음이 목격되면서 발견되었는데, 음저항이 생기는 이유는 뒤에 가속된

전자가 전이(transfer)하는 높은 에너지 띠(third band)에서 전자의 유효질량(effective

mass)이 커서 이동도(mobility) 또는 유동속도(drift velocity)가 느려져서 저항이 증가하는

것으로 알려졌습니다.

(Gunn 다이오드의 예) (Gunn 아이오드의 전압 대 전류 특성)

이 Gunn 효과는 균일하게 불순물이 첨가된 GaAs 에서도 생기는데, 이 때는 반도체내에서

마구잡이로 전자나 홀 밀도가 큰 영역이 생기면 (큰 전압을 가해 높은 에너지 띠로 전이가

가능할 때는) 전기장이 센 곳의 이동도가 더 작아 영역의 폭이 좁혀지는(bunching) 효과가

있어 구역(domain)을 형성하며 (+) 전극을 향해 이동합니다. 이때 외부에 껴울림 회로가

없으면 구역이 전극과 전극사이를 이동하는데 걸리는 시간을 주기로 전류가 진동을 하지만,

껴울림회로가 있으면 껴울림 회로의 주파수로 진동을 하게 됩니다.

th

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(Gunn diode 발진 특성의 원리)

(Gunn 다이오드 발진기의 두 가지 기본 구조)

① Gunn 다이오드 ② 열린 구멍(aperture)

TE101 모드

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2) 비선형 발진기(nonlinear oscillator 또는 relaxation oscillator)

정현파가 아닌 톱날파(sawtooth wave)나 삼각파(triangular wave) 또는 사각파(square

wave) 등을 발생하는 발진기를 말하며, 축전기나 인덕터(주로 축전기)에 전기에너지를 충전

/방전하는 형태로 발진을 일으킵니다. 따라서 이 회로는 비선형 소자인 스위치를 포함하기

때문에 비선형 발진기라고 부릅니다.

아래 그림과 같은 RC 충전회로의 특성은 물리학 2 에서 다룬 것과 같이

입니다.

충전된 축전기전압이 스위치의 문턱전압 를 넘어서면 축전기는 스위치를 통해 방전을

시작합니다.

스위치의 저항을 이라고 하면 방전되는 축전기 전압은

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입니다.

축전기 전압이 낮은 문턱전압 에 다다르면 스위치가 닫히고 다시 충전이 일어납니다.

따라서 축전기를 사용한 완화발진기의 파형은 톱날파에 가깝고, 주기는 문턱전압에 따라서

입니다.

Ex. 8 완화발진기의 충전/방전전압과 주기의 표현식을 유도한다.

사각파발진기는 디지털회로의 시계신호(clock signal)를 얻는데 많이 쓰이므로 다음 장에서

다루기로 합니다. 여기서는 톱날파나 삼각파를 얻는 몇 가지의 발진기회로를 살펴보기로

합니다.

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(1) 네온램프를 스위치로 사용한 완화발진기

네온램프의 ON/OFF 문턱전압 특성을 이용하여 충전된 축전기를 방전시키는 방법입니다.

충전하는 동안은 네온램프를 통해서는 전류가 흐르지 않고 RC 회로를 통해서 충전되다가

축전기 전압이 네온램프의 높은(ON) 문턱전압을 넘으면 네온램프를 통해서 방전이 됩니다.

축전기 전압이 네온램프의 낮은(OFF) 문턱전압에 다다르면 네온램프가 꺼지고 다시 충전

사이클을 시작합니다. 이 같은 방법으로 축전기 전압(또는 네온램프에 가해지는 전압)이

일정한 톱날파 형태의 파형을 갖게 됩니다. 발진 파형의 주기는 대략 5RC 가 됩니다.

실제 사용가능한 회로의 예가 아래 그림과 같습니다.

여기서는 3배압 정류회로를 사용하여 1000V DC 를 공급하고, 전기용량 1mF 내압 1000V

이상인 축전기와 문턱전압이 400V 인 네온램프를 사용하고 있으나 카메라 플래시용 제논

램프를 사용해도 무방합니다.

Ex. 9 위 완화발진기의 출력전압(플래시 튜브에 가해지는 전압) 파형을

스케치 해본다.

(2) 타이머 IC 를 스위치로 사용한 완화발진기

555 타이머 IC 와 같은 타이머 IC 의 비교기(comparator)를 스위치로 사용해서 일정 전압

사이에서 축전기의 충전과 방전이 일어나도록 한 완화발진기입니다.

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100kW 가변저항 R1 으로 발진 주파수를 조절하고 25kW 가변저항 R2 로는 발진 파형의

상대적인 폭을 조절합니다. 사용하는 축전기의 전기용량에 따라 발진주파수의 조절범위가

C1 f

10mF 0.07Hz ~ 250Hz

1mF 10Hz ~ 7kHz

0.01mF ~ 300kHz

같이 변합니다.

(완화발진기의 제작 사진)

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Ex. 10 위 완화발진기를 만들어서 발진 특성을 확인해본다.

참고로, 여기서 사용한 555 타이머 IC 에 대하여 살펴봅니다. 8 pin dual-in-line package

(DIP)로 포장된 555 IC 의 pin 번호는 IC 를 위에서 보아 점이 찍힌 곳에서부터 시계바늘

회전 반대방향으로 매깁니다. 각 pin 의 기능은 다음과 같습니다.

555 타이머 IC 의 내부 기능은 아래와 같습니다.

두 개의 비교기(comparator 1, 2)와 SR(set-reset) flip-flop, 출력회로와 open 콜렉터의

트랜지스터로 구성되어 있습니다.

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IC 내부회로의 전압분배기(5kW 저항 3개의 직렬연결)에 의해서 첫 번째 비교기의 안뒤집는

입력과 두 번째 비교기의 뒤집는 입력은 각각 ⅓ Vcc 와 ⅔ Vcc 로 되어 있습니다. 여기서

Vcc 는 (콜렉터) 전원전압을 가리킵니다. 비교기 1 의 뒤집는 입력인 Trigger 전압이 ⅓ Vcc

보다 낮으면 비교기 1 의 출력(즉, flip-flop Set 입력)이 HIGH 상태가 되어 flip flop 의

출력 Q 가 HIGH, Q bar 가 LOW 상태가 되어서 (open 콜렉터) 트랜지스터도 OFF 상태로

있습니다. 비교기 2 의 안뒤집는 입력인 Threshold 전압이 ⅔ Vcc 가 되면 비교기 2 의

출력(즉, flip-flop Reset 입력)이 HIGH 상태가 되어 flip-flop 의 출력 Q 가 LOW, Q bar

가 HIGH 상태가 되어서 (open 콜렉터) 트랜지스터가 ON 상태로 바뀝니다.

위의 완화발진기 회로에서는 Trigger 전압과 Threshold 전압을 함께 축전기 C1 에 350kW

과 R1, R2 의 직렬연결 저항을 통해 전원전압 +5V 로 충전되는 전압을 가하고 있습니다.

따라서 회로의 전원을 켜면 축전기 C1 이 충전되다 축전기 전압이 1.67V 가 되면 발진기

출력 Q 가 HIGH 가 되고, 충전이 더 이어지다가 축전기 전압이 3.33V 가 되면 발진기의

출력 Q 가 LOW 상태로 바뀌면서 트랜지스터가 ON 되어 축전기 C1 에 충전되었던 전하는

저항 R2 를 거쳐 방전이 됩니다. 따라서 충전 시 시간상수는 tcharge = (R1 + R2 +

350kW)C1 이고, 방전 시 시간상수는 tdischarge = R2C1 입니다. 방전에 의해 축전기의 양단

전압이 1.67V 이하로 떨어지면, 발진기의 출력 Q 가 HIGH 로 바뀌고 트랜지스터도 OFF

되면서 방전이 멈추고 다시 충전이 일어납니다. 이 같은 과정을 반복하기 때문에 출력 Q

에는 ON 상태(+5V)와 OFF 상태(0V)의 폭이 다른 사각파가 출력되고 축전기 양단 즉,

Trigger 입력(또는 Threshold 입력)에는 충전과 방전시간이 다른 톱날파가 생겨납니다.

이같이 Trigger 와 Threshold 입력을 함께 묶어서 축전기의 충전전압으로 연결함으로써

발진기로 사용하는 방법을 타이머 IC 의 불안정(astable) 방식이라고 부릅니다.

Ex. 11 위 완화발진기의 축전기 전기용량 C1 에 따른 발진

주파수의 조절범위를 계산하여 확인해본다.

타이머 IC 555 의 규격은 아래와 같습니다. IC 를 사용할 때는 규격 내에서 동작하도록

해야 하고 또, 미리 필요한 규격을 만족시키는 IC 를 골라야 합니다.

555 타이머 IC 의 내부 회로도를 보입니다. 많이 복잡하지만 위에서 언급한 기능을 갖는

부분회로들을 찾아내보도록 합니다.

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(555 타이머 IC 의 내부 회로)

(3) 비교기(comparator) IC 를 스위치로 사용한 완화발진기

출력이 +VDD 와 -VSS 사이에서 스위칭되는 비교기 IC 를 이용하여 축전기를 (+) 와 (-)

전압으로 충전시키는 방식의 발진기입니다.

위 회로에서 축전기 C 에는 저항 R 을 통해서 출력전압 Vout 으로 충전이 일어나는데, 이

출력전압을 나누어(전압 분배기, voltage divider) 비교기의 안뒤집는 입력으로 써서 축전기

전압과 비교함으로서, 일정한 전압 Vth1 까지 충전이 일어나면 출력전압의 극성이 바뀌어

충전(즉, 먼저 방전이 되고 이어서 바뀐 극성으로 충전)이 되고 또, 바뀐 극성으로 일정전압

Vth2 까지 충전이 되면 다시 출력전압의 극성이 바뀌게 되어서 충전-방전-충전을 거듭하게

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됩니다. 위 완화발진기 회로의 경우는 충전과 방전이 같은 전압 크기로 같은 저항을 써서

일어나기 때문에 축전기전압 파형은 같은 시간상수를 갖는 톱날파형이 되고, 비교기의 출력

전압 파형은 같은 폭의 (+) 와 (-) 전압을 갖는 사각파형입니다. 아래 그림에서의 은

비교기의 안뒤집는 입력 전압 를 가리킵니다.

또, 이 완화발진기의 발진주파수는

입니다.

Ex. 12 위 완화발진기의 주파수 표현식을 유도하고 실제로

회로를 만들어서 확인해본다.

- 99 -

3) 함수 발생기(function generator)

전자회로 실험에서 편리하게 사용할 수 있는 여러 가지(정현파, 사각파, 삼각파, 톱날파 등)

파형의 연속 또는 펄스를 발생시킬 수 있는 장치입니다. 보통 오디오 주파수 영역에서만

작동하는 것이 많으나 수십 메가헤르츠까지 발생시키는 것도 있습니다. 또, 주파수계 기능

이나 주파수 휩씀 기능, 변조된 파형을 발생할 수 있는 기능, 트리거 기능 등을 갖고 있는

것도 있어서 사용이 좀 복잡합니다. 다른 측정 장치도 그렇지만 함수발생기도 보유기능을

잘 활용하면 질 높은 측정이나 실험을 할 수 있습니다. 여기서는 간단한 홈 메이드 함수

발생기와 전자학 및 계측론 실험실에서 사용하고 있는 함수 발생기에 대해서 살펴봅니다.

(1) 홈 메이드 함수발생기

함수발생기 기능을 하는 IC(예: MAX038)들이 있습니다. 이 IC 를 활용하면 간단한 함수

발생기는 직접 만들 수도 있습니다. 한 예를 소개합니다. (http://electronics-diy.com/electronic_ schematic.php?id=584) 만들어진 겉모양과 내부 회로도는 아래와 같습니다.

- 100 -

여기에 사용한 MAX038 IC 는 0.1Hz ~ 20MHz 까지의 주파수 범위에서 삼각파, 톱날파,

정현파, 사각파 및 TTL 펄스를 출력 임피던스 0.1W 으로 출력합니다. 발진주파수와 복무율

(duty cycle)을 독립적으로 조절할 수 있으며, 1/350 범위에서 주파수 휩씀(frequency

sweep) 기능도 갖고 있습니다. MAX038 IC 의 핀 구성과 기능은 다음과 같습니다.

3번과 4번 pin 에 가해주는 A0 와 A1 의 TTL 입력에 따라서 생성되는 출력파형은 아래와

같습니다.

- 101 -

아래는 MAX038 함수발생기 IC 의 내부구조와 함수발생기로의 기본적인 연결방식입니다.

발진기(OSCILLATOR)는 완화발진기로 일정전류로 축전기 CF 를 충전/방전시켜 삼각파와

사각파를 발생합니다. 충전과 방전이 일정 전압 하에서 이루어지는 것이 아니라 일정 전류

하에서 이루어지기 때문에 축전기 양단의 전압파형이 톱날파가 아니라 삼각파가 됩니다.

충전/방전 전류는 FADJ 와 DADJ 전압으로 2mA~750mA 로 조절이 가능합니다. 복무율

(duty cycle)도 DADJ 전압으로 10%~90% 범위에서 조절이 됩니다. Multiplexer(MUX)를

거쳐 선택된 파형은 출력증폭기에서 ±1V 로 증폭됩니다. 이 함수발생기 IC 는 이밖에도

외부 신호를 동기(SYNC)시키는 기능도 있습니다.

- 102 -

(2) Protek G305 휩씀 함수발생기(Sweep Function Generator)

전자학 및 계측론 실험실에서 사용하는 함수발생기입니다. 기기의 전면 판넬에 있는 많은

수의 버튼에서 알 수 있듯이 다양한 기능을 갖고 있습니다. 각각의 기능을 잘 이해해야만

제대로 활용할 수가 있습니다.

우선 함수발생기의 기본적인 기능은 정현파, 삼각파 또는 사각파형 신호를 원하는 주파수와

출력전압으로 안정되게 공급하는 것입니다. 그 다음 필요에 따라서 출력신호의 복무율

(duty cycle)을 바꾼다든지 직류전압을 얹고(dc offset), 주파수를 휩쓸거나(sweep), 크기를

변조시키고(amplitude modulation), 일정한 시간 동안만 출력하거나(gate, burst) 동기하는

(trigger, synchronization) 등의 기능을 합니다. 부수적으로는 외부 신호의 주파수를 측정

하는 주파수계(frequency counter) 역할도 할 수 있습니다.

여기서는 이들 기능에 대해서 살펴보고 사용방법을 익히도록 합니다.

① 주요 규격(specification)

주파수 범위 : 9영역으로 나뉘어 0.01Hz - 10MHz

출력 파형 : 정현파, 삼각파, 사각파, 경사파(ramp), 펄스

파형 특성 : 정현파 flatness (0.01Hz - 100kHz) ±0.2 dB

(100kHz - 10MHz) ±2 dB

삼각파 linearity error (100kHz) < 1 %

사각파 rise/fall 시간 (max. 출력) ≤ 25 ns

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출력 특성 : 출력전압 20Vpp (열린회로 전압)

감쇄기 0, 20, 40, 60dB, 연속

DC offset ±10V max (열린회로 전압)

Ex. 13 Protek 함수발생기의 규격을 오실로스코프로 확인한다.

② 전원전압 선택방법

이 기기는 100V, 120V, 220V, 240V 의 교류전압에서 사용할 수가 있도록 전원변압기의

1차 코일에 중간가지(tab)를 내고 있습니다. 교류전압(220V)과 맞는 중간가지를 사용하는

것이 중요합니다. 기기의 뒤편을 보면 퓨즈함에 전압이 적혀있는데 바른 전압이 ∇ 표시와

일치하는지 확인합니다. 만약 잘못되어 있다면 전원 코드를 뺀 다음 퓨즈함을 꺼내어 바른

위치로 끼워 넣습니다.

③ 앞면과 뒷면 판넬의 모양

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앞면 판넬의 손잡이나 버튼의 기능 중에서 자명한 것은 제외하고 중요한 것만 언급합니다.

3. FREQ RANGE 스위치

출력신호의 주파수 대역을 정합니다. 즉, 4번 FREQ/STOP FREQ 손잡이 위치로

정한 0.1~10 사이의 값에 곱하는 10n 의 지수 n을 정하는 것입니다. 이때 주파수

대역(즉, 지수 n)에 따라서 신호를 평균하는 시간이 달라지는 점에 유의합니다.

4. FREQ/STOP FREQ 손잡이

앞서 설명한대로 출력신호의 주파수를 미세조정(fine control)하는 손잡이입니다.

다만, 5번 방식선택 버튼들 중에서 SWEEP 버튼이 눌려진 경우에는 주파수 휩씀의

종료 주파수를 정하는 역할을 합니다.

5. MODE 버튼

출력이 나오는 방식을 선택하는 버튼들로 연속파(CW), 트리거 신호가 HIGH 가 될

때 출력하는 한 주기의 파(TRIG), 트리거 신호가 HIGH 인 동안에만 출력하는 파

(GATE), 내장된 burst gate 발진기의 신호가 HIGH 인 동안에만 출력하는 파

(BURST), 주파수를 휩쓰는 출력(SWEEP)을 선택할 수 있습니다.

6. FUNCTION 버튼

출력 파형을 선택할 수 있는 버튼으로 아무 버튼도 눌려지지 않으면 7번 손잡이로

조절되는 DC 전압을 출력할 수 있습니다.

7. DC OFFSET 손잡이

가운데 손잡이를 잡아당기고(PULL) 바깥 손잡이를 돌리면 출력되는 파형에 ±10V

범위의 직류 전압을 얹을 수 있습니다. 직류 전압만을 얻는데도 쓸 수 있습니다.

그러나 출력임피던스가 50W 으로 높고 전류용량이 크지 않기 때문에 직류전원을

대신해서 쓸 수는 없습니다.

9. OUTPUT BNC

50W BNC 콘넥터가 달린 동축선으로 출력신호를 빼 쓸 수 있는 BNC receptacle

로 임피던스 맞춤된 부하에 최대 10Vpp 의 출력을 할 수 있습니다.

10. TRIG START LEVEL 손잡이

5번 MODE 버튼이 TRIG, GATE 또는 BURST 중 하나가 눌려져있을 때 파형이

출력되기 시작하는 트리거 또는 (burst) 게이트 전압을 조절하는 손잡이입니다.

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11. SYMMETRY 손잡이

가운데를 잡아당기면(PULL) 바깥 손잡이로 출력신호(OUT PUT)와 동기신호

(SYNC OUT)의 파형 대칭성을 20:80 에서 80:20 사이의 범위로 조절할 수가

있습니다. 가운데 부분을 누른 상태에서는 대칭적인(50:50) 파형이 출력됩니다.

12. SYNC OUT BNC

동기신호의 출력단자로 이로부터 출력신호와 180o 위상차가 있는 TTL 신호가

50W 의 출력임피던스로 출력됩니다.

13. TRIG IN BNC

트리거 또는 게이트 신호를 입력시키는 단자로 TTL 신호를 입력시킵니다.

14. COUNT 버튼

주파수계를 내부 출력신호의 주파수(INT) 또는 15번 EXT IN BNC 로 입력시킨

외부 신호의 주파수(EXT) 측정용도로 선택하는 버튼입니다.

16. AM ON/OFF 버튼

17번 MOD IN BNC 로 입력시킨 신호로 진폭변조(amplitude modulation, AM)를

시킬 수 있는 버튼입니다.

17. MOD IN BNC

진폭변조용 신호를 입력시키는 단자로 10kW 의 입력임피던스를 갖고 있으며,

DC~1MHz 주파수범위에서 최대 ±10V 의 신호를 입력시킬 수 있습니다.

18. LIN/LOG 버튼

SWEEP 모드에서 선형 또는 대수함수(logarithmic) 휩씀 방식을 선택하는 버튼

19. SET START/SWEEP START 버튼

SWEEP 모드에서 주파수 휩씀의 시작점의 주파수를 20번 SWEEP START/MOD

LEVEL 손잡이로 정하고(SET START 버튼이 눌려진 경우), 휩씀을 시작합니다

(SWEEP START 버튼이 눌려진 경우). 휩씀을 끝내는 주파수(sweep stop

frequency)는 4번 FREQ/STOP FREQ 손잡이로 정합니다.

20. SWEEP START/MOD LEVEL 손잡이

SWEEP 모드에서 휩씀의 시작점 주파수를 정하거나, AM 모드에서 변조준위

(modulation level)를 조정하는데 사용합니다.

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21. TIME 1~100ms/0.1~10s 버튼

BURST 와 SWEEP 모드에서 burst 게이트와 휩씀의 시간범위를 선택하는 스위치

22. AM CARRIER LEVEL 손잡이

AM 모드에서 반송파(carrier)의 전압크기를 조절하는 손잡이입니다. 손잡이를 0

부근에 맞추면 반송파 없이 double sideband(DSB) 신호가 출력됩니다.

23. SYMMETRY/VARIABLE 손잡이

가운데 손잡이를 잡아당기면 burst 와 sweep 신호파형의 대칭성(ON/OFF 시간)을

조정할 수 있습니다. 가운데 손잡이가 눌려지면 ON/OFF 시간은 50:50 으로 고정

됩니다. 바깥 손잡이로는 burst 와 sweep 시간을 21번 TIME 1~100ms/0.1~10s

버튼 선택범위 안에서 연속적으로 조정할 수 있습니다.

다음은 뒷면 판넬입니다.

24. GCV OUT BNC

발진주파수에 비례하는 직류전압을 출력하는 단자입니다. SWEEP(휩씀) 모드에서

주파수나 외부 입력신호의 주파수를 전압신호로 관찰(기록)하는데 사용됩니다.

25. SWEEP OUT BNC

내부 휩씀 발생기(sweep generator)의 출력신호를 이용할 수 있는 단자입니다.

SWEEP 모드의 주파수에 따른 측정결과를 xy 기록기(recorder)나 오실로스코프로

관찰하는데 x-축 신호로 사용됩니다.

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26. SWEEP/BURST GATE OUT BNC

BURST/SWEEP 모드에서 TTL 게이트 신호를 출력하는 단자입니다.

27. VCG IN BNC

전압으로 출력신호의 주파수를 바꿀 수 있는 입력단자입니다. 최대 10V 의 (+)

전압을 가하면 주파수가 증가하고, (-) 전압을 가하면 감소합니다.

31. Grounding Terminal

기기내부의 몸체와 연결된 단자로서 기기를 접지(earth)시켜야 할 필요가 있을 때

접지선을 연결합니다.

④ 주의사항

1. 입력전압 주의

출력단자에 외부에서 전압을 가하면 내부회로가 손상되므로 가하지 않도록 합니다.

입력단자에도 허용 전압을 초과해서 전압을 가하지 않도록 합니다.

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2. 출력신호의 연결

출력단자의 출력임피던스가 50W 이므로, 고유 임피던스가 50W 인 동축선과 50W

terminator 를 사용해 측정기에 연결시켜야 임피던스 맞춤이 되고, 서있는 파동을

만들지 않습니다.

⑤ 기본 신호(정현파, 삼각파, 사각파)와 동기신호의 발생

1. 정현파

출력 정현파의 총 어울림 변형(total harmonic distortion, THD)

< 0.5% (10Hz ~ 50kHz)

변조 정현파의 총 어울림 변형

< 2% (10Hz ~ 10kHz)

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2. 삼각파

삼각파형의 rms 전압은 Vrms = 0.557Vp (Vp : 첨두전압)입니다.

선형도(linearity) < 1% of Vpp (Vpp : 첨두간 전압)

3. 사각파

복무율(duty cycle)이 50% 인 대칭 사각파형의 rms 전압은 Vrms = Vp (Vp : 첨두

전압)입니다.

평평도(flatness) < 1% of Vpp (Vpp : 첨두간 전압)

rise/fall time < 25ns (10%-90% of Vpp)

4. 동기신호

출력신호와 180o 위상차가 나는 1V 사각파형

⑥ 트리거/게이트 모드

TRIG IN 입력단자에 TTL 신호를 입력시켰을 때 출력되는 신호는 모드와 파형선택에 따라

다음과 같습니다.

트리거 신호의 주파수 범위는 DC~100kHz 이고, 트리거 또는 게이트 모드의 출력신호의

주파수 범위는 0.1Hz~1MHz 입니다. 위 그림에서의 출력신호들은 TRIG START LEVEL

손잡이를 가운데 놓았을 때의 출력신호들입니다. TRIG START LEVEL 손잡이를 돌리면

출력신호가 달라집니다.

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이때 아래 그림과 같은 파형을 Haver 정현파 또는 Haver 삼각파라고 부릅니다.

⑦ BURST 모드

기기 내부에 1ms~10s 주기로 burst 파를 생성하는 burst 게이트 발진기가 있습니다. 발진

파형의 대칭성(T1 : T2)과 주기(T = T1 + T2)는 SYMMETRY 손잡이로 조절합니다.

⑧ SWEEP 모드

주파수 휩씀은 선형 또는 대수함수 방식으로 정해진 주파수 범위에서 선택이 가능합니다.

휩씀 시간은 1ms~10s 로 택할 수가 있습니다. SWEEP START/MOD LEVEL 손잡이로

휩씀을 시작하는 주파수를 정하고, FREQ/STOP FREQ 손잡이로 휩씀이 끝나는 주파수를

T1 T2

T

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정합니다.

⑨ 대칭성

출력파형의 대칭성은 SYMMETRY 손잡이로 조절이 가능합니다. 손잡이의 가운데 부분을

누르면 대칭인(50:50) 파형이 출력되고, 잡아당기면 대칭성을 20:80 에서 80:20 까지 바꿀

수 있습니다. 대칭성 조절은 1MHz 이하의 주파수에서 가능합니다. 손잡이의 가운데 부분

을 잡아당겨 대칭성을 조절하는 경우 출력신호의 주파수 요동(fluctuation)이 증가함에 유의

합니다.

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⑩ DC OFFSET/DC OUT

DC OFFSET 손잡이를 잡아당기면 출력파형에 직류전압을 얹을 수 있는 기능으로서, 출력

단자를 50W 으로 terminate 한 경우 (출력파형 + 직류)의 첨두(peak)값이 ±5V 범위에서,

terminate 시키지 않은 경우 (출력파형 + 직류)의 첨두(peak)값이 ±10V 범위에서 조절이

가능합니다. DC offset 전압은 ATT (dB) 손잡이의 위치에 따라 감쇄되며, DC OFFSET

손잡이를 눌러 offset 을 끈 경우에도 최대 100mV 의 offset 전압이 있음에 유의합니다.

FUNCTION 버튼이 모두 나와 있는 경우에는 출력단자로 DC 전압만이 출력됩니다. 높은

임피던스로 연결하는 경우 DC OFFSET 손잡이를 조절하면 ±10V 범위의 직류전압이 출력

됩니다. 출력임피던스가 50W 이므로, 출력전압과 출력전류 사이의 관계는 다음의 그림과

같습니다.

⑪ 진폭변조

MOD BNC 로 입력시킨 DC~1MHz 신호로 출력신호를 진폭변조 시킬 수 있습니다. 입력

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임피던스는 ~10kW 이며, 최대(100%) 변조를 일으키는데 필요한 변조신호는 5Vpp 입니다.

진폭변조의 정도는 반송파(carrier)의 크기에 대한 변조신호 크기의 비를 % 로 나타내며,

그 정의와 다양한 진폭변조 상태는 다음과 같습니다.

AM CARRIER LEVEL 손잡이의 위치를 ∇ 표시에 맞추면 반송파가 억제된 double side

band(DSB) 신호가 출력됩니다. 이때, 신호의 파형은 다음 그림과 같습니다.

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⑫ Voltage controlled generator(VCG)

VCG IN BNC 입력단자에 입력한 전압으로 출력신호의 주파수를 조절할 수 있는 기능이며,

(-) 전압을 가하면 주파수가 낮아지고 (+) 전압을 가하면 주파수가 높아집니다. 또, 교류

전압을 가하면 주파수변조(frequency modulation, FM)을 일으킬 수 있습니다. 입력전압의

크기에 따른 주파수변화의 정도는 FREQ RANGE 손잡이의 위치에 따라 달라집니다. 예를

들어 FREQ/STOP FREQ 손잡이를 10 의 위치에 놓고, -2V 를 VCG IN 에 입력하면

FREQ RANGE 손잡이가 ×1K 의 위치에 있을 때 출력신호의 주파수는 6kHz 가 됩니다.

즉, VCG 신호가 가해지지 않았을 때의 10kHz 주파수에 비해 4kHz 낮은 주파수가 됩니다.

⑬ Gated Sweep

SWEEP OUT 신호를 VCG IN 에, SWEEP/BURST GATE OUT 신호를 TRIG IN 에 연결

시키면 gated sweep 기능을 갖습니다.

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⑭ 출력전압 휩씀(output voltage sweep) 기능

SWEEP OUT BNC 출력단자를 MOD BNC 입력단자에 연결시키면 출력전압을 휩쓸 수

(sweep) 있습니다.

이 경우 출력되는 신호의 전압은 시간에 따라서 다음과 같이 변합니다.

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4) 주파수 합성기(frequency synthesizer)

주파수의 안정도가 좋은 수정결정발진기가 있습니다만 발진주파수가 한 가지(또는 몇 가지)

주변으로 국한되는 단점이 있습니다. 한 가지 주파수의 수정결정발진기를 사용하여 일정

주파수 범위 안에서 안정된 여러 주파수를 발생시키는 장치(회로)입니다. 주파수 곱하기

(frequency multiplication), 주파수 나누기(frequency division), 주파수 섞기(frequency

mixing)를 이용해서 원하는 주파수의 정현파신호를 합성합니다. Direct analog synthesis

(DAS)방식, direct digital synthesis(DDS)방식, indirect digital synthesis(PLL)방식으로

나뉩니다.

DAS 방식은 1963년 처음 출현한 0 - 50MHz (0.01Hz resolution) 주파수합성기인 HP

5100A 에 적용되었고, 내부 구조도는 다음과 같습니다. 주파수 더하기(+), 나누기(÷) 및

빼기(-)를 활용하여 1MHz 내부 수정결정발진기의 신호로부터 직접 출력신호를 합성합니다.

여기서는 PLL(phase locked loop)방식의 주파수합성기를 살펴보고, DDS 방식은 다음 장

(디지털 신호의 발생)에서 소개하기로 합니다.

(1) PLL 합성기

PLL 은 표준(reference) 신호에 일정한 위상관계를 갖는 신호를 출력하는 회로로서, 가변

주파수 발진기(variable frequency oscillator)와 위상검출기(phase detector)로 구성되어

있습니다. 발진시킨 신호와 표준신호의 위상차를 검출하여 가변주파수 발진기에 되먹임

(feedback)을 시키는 방법으로 표준신호의 위상에 맞춘 출력신호를 발생시킵니다.

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PLL을 사용한 주파수합성기의 개념도는 아래와 같습니다.

전압조정발진기(voltage controlled oscillator, VCO)의 출력주파수(fo)를 나누어(÷N) 위상

검출기에 표준신호로 되먹임시킴으로 위상(주파수 안정도)을 수정결정발진기 등으로 안정화

된 주발진기(Master Oscillator)의 주파수를 나누기(÷R)한 주파수 fr 에 맞춥니다. 따라서

R 로 주발진기의 주파수보다 낮은 안정화 된 주파수를, N 으로 높은 주파수를 출력할 수

있습니다.

① 고정 주파수합성기(fixed frequency synthesizer)

PLL을 이용한 주파수합성방법으로 수정결정발진기로 얻을 수 없는 높은 주파수의 신호를

안정되게 만드는 기구로 Mini-Circuits 의 KSN-490A-1C19+ (490MHz) 이 한 예입니다.

아래 그림은 KSN-490A-1C19+ 의 내부 구조도입니다.

이 hybrid IC 의 REF In 에 10MHz, 1±0.2Vpp 의 사각파신호를 입력하면 R = 2 로

5MHz 의 비교주파수와 N = 98 로 490MHz, 0.5±3 dBm 의 출력을 합니다. 여기서

dBm 이란 일률(power)을 나타내는 한 단위로 1mW 의 일률을 단위(Pref)로 한 일률 P 를

데시벨[dB = 10log10(P/Pref)]로 나타낸 것입니다. 즉, 0dBm 의 출력은 1mW 이며,

0.5dBm 의 출력은 1.1mW 에 해당합니다. 50W 부하 양단의 전압은 230mV 입니다.

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KSN-490A-1C19+의 생긴 모양과 pin 구조 및 대표적인 사용 예는 아래와 같습니다.

- 119 -

② High-frequency waveform generator IC MAX038 을 사용한 주파수합성기

함수발생기에서 소개한 IC 인 MAXIM 의 MAX038 IC 는 위상검출기와 일정전류에 의한

완화발진기를 내장하고 있어 PLL 이나 주파수합성기로 활용이 가능합니다. 아래 회로도는

8kHz~16.383MHz 범위에서 1kHz 의 분해능으로 정현파, 사각파 또는 삼각파를 출력하는

주파수합성기 회로입니다.

모토롤라의 MC145151 IC 로 수정발진기와 주파수 ÷N 회로 및 위상검출기를 구성합니다.

주파수 선택 스위치들로 출력 주파수를 정하는데 스위치가 열리면(open) 해당하는 주파수

만큼 출력주파수가 증가합니다. 이 스위치는 MAX7541 12-bit 디지털-아날로그 변환기

(digital to analog converter, DAC)를 통해 MAX412 OP amp 로 전류로 변환되어

MAX038 의 IIN 핀으로 입력되면 넓은 범위에서 주파수가 조정됩니다. 미세 주파수조정은

MC145151 의 위상검출기와 MAX427 OP amp 를 사용한 차동증폭기(differential

amplifier)/저역통과여과기(lowpass filter) 회로로 이루어집니다. 위상검출은 수정발진기의

÷N 주파수 신호와 MAX038 의 SYNC OUTPUT 주파수 신호를 비교하여 위상차이 정보를

MAX427 OP amp 로 보냅니다. OP amp 의 출력신호는 MAX038 의 FADJ 핀에 가해져

미세 주파수조정을 합니다. 출력회로의 50W 50MHz 저역통과 여과기회로는 16MHz 이하

사각파와 삼각파를 통과시키고, 그러나 ÷N 회로에서 발생하는 고주파(> 50MHz) 잡음을

제거하는 역할을 합니다.

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5) 아날로그 신호발생 시 주의사항

측정에 필요한 (아날로그) 신호를 발생하는 회로를 제작하거나 신호발생기를 사용할 때 몇

가지 주의할 점을 정리합니다.

1. 신호의 주파수 및 전압의 조정이 편리하고 안정되어야 함

아날로그 신호의 발생방법에 따라서 발생된 신호의 주파수나 전압이 일정하지 못하고 온도,

부하 및 전원전압의 변동에 따라 바뀌는 특성이 다른 것에 유의합니다. RC 나 LC 회로를

사용한 발진기의 경우 저항 값, 축전기의 전기용량, 코일의 인덕턴스가 온도나 회로변수의

변화에 의존하기 때문입니다. 주파수 안정도에서는 수정결정발진기가 가장 우수한 특성을

갖고 있으며, 그러나 결정축을 잘 택해야 하고 또, 큰 범위의 변화에는 영향을 받기 때문에,

정밀을 요하는 장치에서는 온도가 조절된 오븐 수정발진기나 온도 보상된 수정발진기 등을

사용합니다. 여러 면에서 아날로그 신호원으로 주파수합성기가 탁월하며, 다양한 파형을

요구하는 실험실에서의 용도로는 함수발생기가 적합합니다. 또, 대부분의 측정기가 자체

발열 때문에 처음 전원 스위치를 켠 뒤 30분 정도는 내부의 온도가 변한다고 봐야 합니다.

따라서 측정을 위해서는 측정기나 회로를 동작시킨 뒤 30분 뒤부터 측정을 시작하는 것이

좋습니다.

2. 신호의 파형이 깨끗해야 함

모든 발진기는 신호발생시 생겨나는 고조파 등 때문에 신호의 파형이 원하는 파형으로부터

벗어나거나 원치 않는 주파수 성분을 포함하는 특성이 있습니다. 필요한 경우 저역통과

(low-pass) 여과기나 대역통과(band-pass) 여과기 등을 사용하여 걸러냅니다. 또한, 출력

신호를 다른 측정기에 전달하는 경우에 신호전달선의 임피던스 맞춤에 실패하면 반사파나

서있는 파동으로 인해 2차적인 신호의 변형이 일어날 수 있습니다.

3. 신호를 변조시키는 경우 변조 정보를 손실이나 추가 없이 제대로 전달해야 함

전압의 변동(진폭변조, AM)이나 주파수 변동(주파수변조, FM) 또는 위상의 변화(위상변조,

PM)를 통해 정보를 전달하는 경우가 있습니다. 이 경우에 정보는 반송파(carrier) 보다는

변조파(modulation wave)에 실려 있으므로 신호를 정확하게 변조시키는 것이 중요합니다.

또, 반송파의 특성(진폭, 주파수, 위상 등)이 변하면 변조신호에도 영향이 미치므로 변조된

신호를 발생하는 경우에도 안정된 반송파의 발생은 중요합니다.