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오실레이터는 다양한 형태로 구현될 수 있다. 이 글에서는 피드백 경로를 제공하기 위해 탭 커패시터 분배기(tapped capacitor divider)와 직렬 LC 공진기를 사용하는 클랩(Clapp) 구성에 대한 실습 과정을 소개한다.

글/ 안토니우 미클라우스(Antoniu Miclaus) 시스템 애플리케이션 엔지니어, 

       아나로그디바이스(Analog Devices)

클랩 오실레이터는 본질적으로 콜피츠(Colpitts) 오실레이터의 직렬 공진형 버전이다. 커패시터 전압 분배기를 통해 피드백 신호를 생성한다는 점에서, 클랩 오실레이터는 콜피츠 오실레이터와 매우 유사하다. 그러나 인덕터 L1과 직렬로 연결되는 커패시터 C3가 추가된다는 점에서 두 설계 간의 차이가 발생하며, 바로 이 점이 클랩 오실레이터를 콜피츠 및 하틀리(Hartley) 오실레이터와 구별 짓는다. 다른 모든 오실레이터와 마찬가지로, 클랩 오실레이터 역시 바르크하우젠 발진 조건(Barkhausen criteria)을 충족해야 하며, 이는 입력에서 출력까지 총 이득이 1이고 위상차가 0°여야 함을 의미한다. 오실레이터 주파수는 공식 1을 사용해 다른 공진 회로와 동일한 방식으로 계산할 수 있다.

베이스와 컬렉터 사이의 트랜지스터 기생 커패시턴스 효과를 무시하면, 공진 주파수는 공식 2에 제시된 전체 등가 커패시턴스(C_TOT)를 사용해 계산할 수 있다.

그림 1은 전형적인 클랩 오실레이터를 보여준다. 주파수를 결정하는 직렬 공진 회로는 L1과 C_TOT로 구성되며, 공통 베이스 증폭기 Q1의 컬렉터 부하 임피던스로 사용된다. 큰 인덕턴스 값의 L2는 컬렉터 전류에 대한 DC 경로를 제공하는 동시에, 공진 주파수에서는 높은 임피던스를 나타낸다. 이로 인해 증폭기는 공진 주파수에서만 높은 이득을 갖게 된다. 이 구성은 공통 베이스 증폭기를 사용한다. Q1의 베이스는 저항 분배기 R1과 R2에 의해 적절한 DC 레벨로 바이어스되지만, 커패시터 C4에 의해 AC접지에 직접 연결된다. 공통 베이스 모드에서는 컬렉터에서의 출력 전압 파형과 이미터에 인가되는 입력 신호가 동상(in phase)에 있다. 이 특성으로 인해, C1과 C2 사이의 노드에서 분기된 출력 신호의 일부가 튜닝된 컬렉터 부하로부터 이미터로 피드백되어, 발진에 필요한 양(+)의 피드백이 확보된다.

그림 1. 기본적인 클랩 오실레이터

C1과 C2의 조합은 이미터 저항 R3과 함께 낮은 주파수의 시간 상수(time constant)를 형성해, Q1의 이미터에 인가되는 피드백 신호의 진폭에 비례하는 평균 DC 전압 레벨을 만들어낸다. 이는 오실레이터에 요구되는 폐루프 이득(closed-loop gain) 1을 만족하도록 증폭기에 자동 이득 제어(AGC)를 제공한다. 이미터 노드는 공통 베이스 증폭기의 입력으로 사용되기 때문에, 이미터 저항 R3에는 디커플링이 적용되지 않는다. 베이스는 커패시터 C4를 통해 AC 접지에 연결되며, C4는 오실레이터 주파수에서 매우 낮은 리액턴스를 제공한다.

실험 전 시뮬레이션

먼저, 그림 1에 제시된 것과 같은 클랩 오실레이터의 시뮬레이션 회로도를 작성한다. 이미터 저항 R3를 500Ω으로 설정했을 때, NPN 트랜지스터 Q1의 컬렉터 전류가 약 1mA가 되도록 바이어스 저항 R1과 R2의 값을 계산한다. 회로는 10V 전원으로 구동된다고 가정한다. 저항 분배기를 통해 흐르는 대기 전류(standing current)를 가능한 낮게 유지하기 위해, R1과 R2의 합은 가능한 한 크게(총 저항이 10kΩ보다 크게) 유지한다. C4가 Q1의 베이스에서 AC 접지를 제공한다는 점을 기억할 필요가 있다. 베이스 디커플링 커패시터 C4와 출력 AC 커플링 커패시터 C5의 값을 0.1µF으로 설정한다. C1을 1nF로, C2를 1nF로 설정하고, 공진 주파수가 약 750kHz에 가까워지도록 L1의 값을 계산한다. L3는 최소 10mH 이상의 큰 값을 사용한다. 과도 응답 시뮬레이션을 수행한다. 이 결과를 저장해 실제 회로에서 측정한 값과 비교하고, 실험 보고서에 포함시킨다.

실험 자재 목록

• ADALM2000 능동 학습 모듈

• 솔더리스 브레드보드 및 점퍼 와이어 키트

• 2N3904 NPN 트랜지스터 1개

• 1µH 인덕터 1개

• 10µH 인덕터 1개

• 100µH 인덕터 1개

• 10mH 인덕터 1개(L3)

• 1nF 커패시터 1개(C1)

• 4.7nF 커패시터 1개(C2)

• 0.1µF 커패시터 2개(‘104’ 표기)

• 470Ω 저항 1개(R3)

• 기타 저항, 커패시터, 인덕터 등 (필요 시 추가)

지침

솔더리스 브레드보드를 사용해 그림 2에 제시된 클랩 오실레이터를 제작한다. 이미터 저항 R3를 470Ω으로 설정했을 때 NPN 트랜지스터 Q1의 컬렉터 전류가 약 1mA가 되도록, 부품 키트에서 바이어스 저항 R1과 R2의 표준값을 선택한다. C1 = 1nF, C2 = 4.7nF로 시작한다. 오실레이터 주파수는 C1, C2, C3, L1 선택 값에 따라 약 500kHz ~ 2MHz 범위에서 조절될 수 있다. C3 값을 계산한 뒤, 부품 키트에서 가장 가까운 값을 선택한다. 이 오실레이터 회로는 L1으로 선택한 값에 의해 설정된 대략적인 주파수에서 10V p-p 이상의 정현파 출력을 생성할 수 있다.

그림 2. 클랩 오실레이터

하드웨어 설정

브레드보드 회로는 그림 3을 참고하면 된다. 사각형 표시는 ADALM2000 모듈의 임의파형발생기(AWG), 오실로스코프 채널, 전원공급장치를 연결해야 할 위치를 나타낸다. 전원을 켜기 전, 배선 연결을 반드시 한 번 더 확인한다.

그림 3. 클랩 오실레이터 브레드보드 회로

절차

클랩 오실레이터 구성을 완성했다면, +5V와 –5V 전원공급장치를 모두 켜고 오실로스코프 채널 하나를 출력 단자에 연결해 회로가 정상적으로 발진하는지 확인한다. 여기서 R3 저항 값이 매우 중요하다는 것을 알 수 있을 텐데, 만약 이 값이 적절하지 않다면 크고 왜곡된 파형이 출력되거나, 또는 출력이 간헐적으로 발생하거나 아예 발생하지 않을 수도 있다. R3의 최적 값을 찾기 위해, 실험 과정에서 R3를 1kΩ 가변저항(포텐셔미터)으로 대체해 보고, 가장 좋은 파형과 안정적인 진폭을 제공하는 값을 찾아 설정할 수 있다.

그림 4는 R1 = 10kΩ, R2 = 1kΩ, R3 = 100Ω, L1 = 100µH, L2 = 10µH, C1 = 1nF, C2 = 4.7nF, C3 = 10nF 조건에서의 파형을 예시한 것이다.

그림 4. 클랩 오실레이터 파형

질문

1. 클랩 오실레이터의 주요 기능은 무엇인가?

2. 클랩 오실레이터는 어떤 오실레이터의 변형인가?

3. 클랩 오실레이터를 콜피츠(Colpitts) 오실레이터와 구별 짓는 추가적인 구성 요소는 무엇인가?

4. 클랩 오실레이터가 콜피츠 오실레이터보다 선호되는 경우는 언제인가?

위 질문에 대한 답변과 추가 설명은 아나로그디바이스 StudentZone 블로그에서 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 공과대학교(Technical University of Cluj-Napoca)에서 전자 및 통신공학 학사(B.Eng.) 학위를 받았다.