비교기

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비교기

 

1. 비교기 란?

- 두 개의 입력 전압이나 신호를 비교하여 그 크기에 따라 디지털 신호(하이 또는 로우)를 출력하는 전자 회로 장치

- 두 입력 중 어느 쪽이 더 큰지에 따라 출력 상태가 결정되며, 주로 아날로그-디지털 변환기(ADC)와 같은 시스템에 사용

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2. 주요 특징

- 입력 비교 : 비반전(+) 입력과 반전(-) 입력 단자 사이의 전압 크기를 비교합니다.

- 출력 : (+) 입력 전압이 (-) 입력 전압보다 높으면 출력이 '하이(HIGH)'가 됩니다.

(-) 입력 전압이 (+) 입력 전압보다 높으면 출력이 '로우(LOW)'가 됩니다.

- 동작 방식: 일반적으로 피드백 회로를 사용하지 않아 안정도에 신경 쓰지 않고, 출력이 전원 전압에 의해 제한되는 '포화' 상태로 작동합니다.

- 용도 : 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 '아날로그-디지털 변환기(ADC)'의 핵심 부품입니다.

- 특정 전압 기준점과 비교하여 신호를 감지하거나 조절하는 데 사용

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3. 영전위 검출

- 영전위 검출기는 전압이나 전류와 같은 입력 신호가 0볼트(V) 기준점을 지나는 순간을 감지하는 전자 회로

그림 a

그림 a에서 ( - ) 단자는 접지하여 영전위이고, ( + ) 단자에 입력신호를 인가

=> 영전위 검출기(zero-level detector) 라고 함

그림 b

그림 b는 영전위 검출기의 비반전 단자에 정현파가 인가된 경우의 출력

=> 높은개루프이득때문에 증폭기가 포화되어 최대 출력 레벨 형성

=> 정현파입력에 대해 구형파를 출력하는 구형파 발생 회로로 동작

=> 구형파의 상승, 하강 속도는 연산증폭기의 슬루율에 의해 결정

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4. 영이 아닌 전위 검출

- 그림 c. 는 고정된 기준전압을 연결하여 영이 아닌 전압을 검출하는 회로

- 그림 d. 는 전압분배기를 이용하여 Vref를 발생시키는 회로

- 그림 e. 는 제너다이오드를 이용하여 Vref = Vz 로 고정시킨 회로

그림 f. 영이 아닌 전위 검출기

그림 f. 와 같이 정현파 입력전압이 Vin < Vref 이면 출력전압은 -Vout(max),

입력전압이 Vin > Vref 이면 출력전압은 +Vout(max)

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출력 제한 비교기

1. 출력 제한 비교기란 ?

그림 g

- 출력 제한 비교기는 출력단에 다이오드나 제너 다이오드와 같은 추가적인 회로 요소를 사용하여 출력 전압의 최대 및 최소 레벨을 설정된 특정 값 이내로 제한

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2. 주요 특징

- 소자 보호 : 출력 전압이 너무 높거나 낮아 후속 연결된 DSP(디지털 신호 처리 장치)나 마이크로프로세서의 핀이 손상되는 것을 방지

- 논리 레벨 호환성 : 다양한 전원 전압을 사용하는 시스템 간에 신호를 주고받을 때, 출력 전압 레벨을 다음 단의 논리 게이트 입력 전압 범위에 맞게 조정하여 호환성을 확보

- 응답 속도 개선 : 특정 설계에서는 출력 스윙을 제한함으로써 포화 상태에서 더 빠르게 회복하여 응답 시간을 단축시킬 수 있음

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3. 사용처

- 디지털 시스템 보호 : 비교기의 출력을 마이크로프로세서(MPU)나 디지털 신호 처리 장치(DSP)의 입력 핀에 연결할 때 사용,

출력 전압이 해당 디지털 소자의 허용 입력 전압 범위를 초과하지 않도록 제한하여 핀 손상을 방지

- 아날로그 부품 보호: LED와 같이 특정 전압 이상이 걸리면 손상될 수 있는 민감한 아날로그 소자를 구동할 때, 과전압으로 인한 고장을 방지하기 위해 사용

- 특정 전압 레벨 생성 : 출력 전압을 의도적으로 특정 상한 및 하한 전압으로 제한해야 하는 경우(예: 이중 출력 제한 회로)에 활용

- 인터페이스 회로 : 아날로그 신호를 디지털 회로에서 사용하기 위한 레벨 변환 시, 디지털 로직 레벨(예: 3.3V, 5V)에 맞게 출력 전압을 제한하는 데 사용

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2. 양(+) , 음(-)의 출력제한 비교기

그림 h

그림 h. 에서 제너다이오드의 양극은 반전 단자에 연결되어 가상접지 상태

=> Vin 의 양의 반주기 동안 Vout < 0 이므로 다이오드는 순방향 바이어스

=> 출력전압은 다이오드의 순방향 전압으로 제한, Vout = -0.7V

=> Vin 의 음의 반주기 동안 Vout > 0 이므로 다이오드는 역방향 바이어스

=> 항복영역에서 출력전압은 제너전압으로 제한, Vout = Vz

그림 i

- 그림 i. 에서 제너다이오드의 방향을 거꾸로 바꾸면 출력은 반대 극성

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3. 이중 출력 제한 비교

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- 이중 출력 제한 비교기는 연산증폭기(OP-AMP)의 출력 전압이 특정 상한 및 하한 값을 초과하지 않도록 제한하는 회로

- 이를 위해 제너 다이오드 두 개를 사용하여 출력 전압을 안정화하고, 비교기 출력의 과도한 스윙을 방지함

- 이는 특히 비교기를 윈도우 비교기처럼 활용하거나, 다른 장치와 연결할 때 편리하게 출력 전압을 조절하기 위해 사용

그림 j

Vin 의 양의 반주기 동안 D1 은 항복영역에서 동작, D2 는 순방향 바이어스 상태

=> VD1 = -VZ1 , VD2 = -0.7V , Vout = VD1 + VD2 = -VZ1 - 0.7V

Vin 의 음의 반주기 동안 D1은 순방향 바이어스 상태, D2 는 항복영역에서 동작

=> VD1 = +0.7V , VD2 = +VZ2 , Vout = VD1 + VD2 = +VZ2 + 0.7V