이번 시간에는 문제를 통해 다이오드 회로를 분석하는 시간을 가져보겠습니다.
1) 다음 회로의 V_in - V_out 관계를 Ideal model을 이용해 나타내시오 (V_B = 2V)
전압 source가 달려 있는 회로의 경우 전압에 따른 다이오드의 동작점을 나누고, 각각의 경우에 의한 V_in - V_out관계를 구하면 됩니다.
위 회로의 경우 Cathode에는 V_in이 공급되고 있습니다. Anode에는 V_B(2V)가 공급됩니다.
Ideal model을 이용하면 Anode의 전압이 Cathode전압보다 높으면 전류가 흐를 수 있습니다.
Cathode에는 V_in, Anode에는 V_B(2V)가 걸리기 때문에 V_in < 2V면 전류가 흐를 수 있고, V_in > 2V면 전류가 흐를 수 없습니다.
전압 기준점을 찾았으니 이제 각각의 경우를 분석해보겠습니다.
2 > V_in이면 전류가 흐를 수 있습니다. 따라서 D1은 short된 회로처럼 동작할 것입니다.
short된 회로에서는 V_in이 D1을 지나 그대로 공급될 것입니다. 따라서 위쪽 노드의 전압은 V_in이 됩니다. 아래쪽 노드에 걸리는 전압은 0V입니다.
V_out은 위쪽 노드와 아래쪽 노드의 전압 차에 해당합니다. 따라서 V_out은 V_in 입니다.
2 < V_in이 되면 전류가 흐르지 못합니다. 따라서 D1은 open된 회로처럼 동작할 것입니다.
open된 회로에서는 V_in이 위쪽 노드까지 공급되지 못합니다. 아래쪽 노드의 전압은 0V이고, V_B를 지나면서 2V가 공급되기 때문에 위쪽 노드에 걸리는 전압은 2V입니다.
V_out은 위쪽 노드와 아래쪽 노드의 전압 차에 해당합니다. 따라서 V_out은 2V 입니다.
2) 다음 회로의 V_in - V_out 관계를 Constant voltage model을 이용해 나타내시오 (V_B = 2V, V_D,on = 0.4V)
전압 source가 달려 있는 회로의 경우 전압에 따른 다이오드의 동작점을 나누고, 각각의 경우에 의한 V_in - V_out관계를 구하면 됩니다. 다만 이번에는 constant voltage model을 사용해야 함에 유의해야 합니다.
위 회로의 경우 Cathode에는 V_in - V_B(2V)가 공급되고 있습니다. Anode에는 0V가 공급됩니다.
Constant - voltage model을 이용하면 Anode의 전압이 Cathode전압보다 0.4V 이상 높으면 전류가 흐를 수 있습니다.
Cathode에는 V_in - V_B(2V) , Anode에는 0V 가 걸리기 떄문에 V_in - 2V > 0.4V, V_in > 2.4V이면 전류가 흐를 수 있습니다. V_in - 2V < 0.4V, V_in < 2.4V이면 전류가 흐를 수 없습니다.
전압 기준점을 찾았으니 이제 각각의 경우를 분석해보겠습니다.
V_in > 2.4V이면 전류가 흐를 수 있습니다. 따라서 D1은 short된 회로처럼 동작할 것입니다.
위쪽노드에는 V_in이 공급되고 추가로 V_B가 공급되기 떄문에 위쪽 노드의 전압은 V_in + V_B입니다. 아래쪽 노드에는 0V가 걸립니다.
따라서 위 노드와 아래 노드의 전압 차인 V_out은 V_in - 2V가 됩니다.
V_in > 2.4V이면 전류가 흐를 수 없습니다. 따라서 D1은 open된 회로처럼 동작할 것입니다.
위쪽노드에는 V_in이 공급되고 추가로 V_B가 공급되기 떄문에 위쪽 노드의 전압은 V_in + V_B입니다. 아래쪽 노드에는 0V가 걸립니다.
따라서 위 노드와 아래 노드의 전압 차인 V_out은 V_in - 2V가 됩니다.
3) 다음 회로의 I_in - V_out 관계를 Constant voltage model을 이용해 나타내시오 (V_B = 2V, V_D,on = 0.4V)
이번에는 voltage source가 아닌 current source가 달려있는 회로입니다.
다이오드의 동작은 전류의 흐름에 따라 달라지기 때문에 먼저 전류의 부호(흐르는 방향)에 따른 경우를 분석합니다. 그 이후 Constant voltage model을 이용해 세부적인 결정을 합니다.
다이오드에 전류가 흐르게 되면 V_D,on을 고려해야 하기 때문에 전류가 흐르지 않는 경우부터 분석하는 것이 편합니다. 전류가 흐르지 않는 경우에서 전류가 흐르게 바뀌는 기준점을 찾고 전류가 흐르는 경우로 넘어가면 됩니다.
전류의 부호가 -일 때는 다이오드에 전류가 흐르지 못합니다. 따라서 D1은 open된 회로처럼 동작합니다.
아래쪽 노드의 전압은 0V입니다. R1에 - I_in의 전류가 흐르고 있다고 볼 수 있습니다. 따라서 중간 노드의 전압은 0V에 I_in R_1을 더하여 I_in R_1이 됩니다. 위쪽 노드의 전압은 I_in R_1에 V_B(2V)를 더하여 I_in R_1 + 2V가 됩니다.
V_out은 위쪽 노드와 아래쪽 노드의 전압 차이입니다. 따라서 V_out = I_in R_1 + 2V 입니다.
I_in을 점점 키워가며 언제 D1에 전류가 흐를 수 있을지 확인해 보겠습니다.
중간노드의 전압은 I_in R_1이고 아래 노드의 전압은 0V입니다. 두 노드의 전압 차이가 V_D,on 이상이 되면 전류가 흐를 수 있습니다.I_in R_1이 V_D,on(0.4V)와 같아지는 시점은 I_in이 0.4V/R_1일때 입니다.
전류 기준점을 찾았으니 이제 전류가 흐를 수 있는 경우로 넘어갑니다.
아래쪽 노드에는 0V 전압이 걸립니다. 현재 전류가 흐르는 상태이기 때문에 D1을 지나면 전압이 V_D,on(0.4V)만큼 증가합니다(Constant voltage model에 의해).
위쪽 노드에는 추가로 V_B가 공급되기 때문에 위쪽 노드의 전압은 V_B + V_D,on 입니다.
V_out은 두 노드의 전압 차이입니다. 따라서 V_out = V_B + V_D,on = 2.4V입니다.
4) 다음 회로의 V_in - V_out 관계를
Constant voltage model을 이용해 나타내시오 (V_B = 2V, V_D,on = 0.4V)
이러한 형태의 회로도 위에서 분석한 것과 똑같이 다이오드에 전류가 흐르지 못하는 경우부터 분석하면 됩니다.
다이오드에 전류가 흐르지 못하는 상황에서는 위쪽 도선이 끊어진것과 같은 회로가 되고 이때 위쪽회로에는 전류가 흐르지 않기 때문에 고려할 필요가 없습니다.
이때 R1과 R2가 직렬로 연결되어 있는 회로와 같은 회로로 볼 수 있습니다. 따라서 V_in / (R_1 + R_2)의 전류가 흐릅니다.
V_out에서의 전압은 R_2 x V_in / (R_1 + R_2) = R_2 V_in / (R_1 + R_2)로 구할 수 있습니다.
다이오드를 통해 전류가 흐르기 위해서는 다이오드의 anode와 cathode 전압 차가 V_D,on보다 커야 합니다. 따라서 V_in > R_2 V_in / (R_1 + R_2)이면 전류가 흐를 수 있습니다.
이때 1 > R_2 / (R_1 + R_2) 이기 때문에 다이오드에 항상 전류가 흐를 것이라는 것을 알 수 있습니다.
따라서 위 경우의 V_out은 고려할 필요가 없습니다. 이제 다이오드에 전류가 흐르는 경우로 넘어갑니다.
다이오드에 전류가 흐르는 경우, Constant voltage model을 가정했기 떄문에 V_D,on의 전압을 가지는 전압 source로 생각할 수 있습니다.
따라서 D1의 cathode 전압은 V_in - V_D,on이 되고, V_out은 V_in - V_D,on - V_B가 됩니다.
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