슈미트 트리거 완벽 해설: 설계, 동작 원리 및 실전 응용

초기에는 '싸이오닉 트리거(thermionic trigger)'로 알려졌던 슈미트 트리거는 수십 년 동안 사용되어 왔습니다. 그동안 두 전압 상태 간의 스위칭 추적 등 삶을 바꾸는 기술 발전에 기여해 왔습니다. 슈미트 트리거는 노이즈 면역성을 제공하기 위해 추가적인 히스테리시스를 가진 비교기 또는 차동 증폭기입니다. 하지만 히스테리시스가 없더라도 깔끔한 디지털 펄스를 생성하는 비교기로 단독 동작할 수 있습니다.

오늘은 슈미트 트리거 회로를 설계하고 그 동작 원리를 설명하겠습니다. 또한 슈미트 트리거 회로를 적용할 수 있는 여러 분야를 소개하겠습니다.

1. 슈미트 트리거란 무엇인가?

간단히 말해, 슈미트 트리거는 재생 비교기(regenerative comparator)입니다. 양의 피드백을 사용하여 히스테리시스 전압을 구현하거나 정현파 입력을 구형파 출력으로 변환합니다. 슈미트 트리거의 출력 전압은 종종 입력 파형의 기준 전압 역할을 합니다. 아날로그 입력 신호의 노이즈를 디지털 신호로 변환하는 기능을 합니다.

슈미트 트리거는 쌍안정 회로(bi-stable circuit)이기도 합니다. 입력 전압이 원하는 임계 레벨에 도달하면 안정적인 높은 출력 전압과 낮은 출력 전압을 유지합니다.

2. 슈미트 트리거의 종류

분명히 슈미트 트리거를 구성 요소로 포함하는 여러 로직 집적 회로가 있습니다. 여기서는 우리가 직접 만들 DIY 슈미트 트리거에 초점을 맞추겠습니다.

종류는 다음과 같습니다:

• 연산 증폭기(Op-Amp) 기반 슈미트 트리거
• 트랜지스터 기반 슈미트 트리거

위 종류에 대한 자세한 설명은 공통 슈미트 트리거 회로 섹션에서 다루겠습니다.

3. 슈미트 트리거는 어떻게 동작하는가?

슈미트 트리거는 양의 피드백 개념을 사용하여 동작합니다. 즉, 출력의 일부를 샘플링하여 입력 소스로 다시 피드백합니다. 이렇게 하면 출력이 강화됩니다.

(양의 피드백 설명)

이 강화는 비교기 출력이 원하는 상태에 정착하도록 돕습니다. 또한 지정된 레벨에서 상태가 일정하게 유지되도록 보장합니다.

4. 대표적인 슈미트 트리거 회로

트랜지스터를 사용한 슈미트 트리거

이 슈미트 트리거 회로의 블록 다이어그램을 구성하기 위해 두 개의 트랜지스터(필수 구성 요소)와 기타 기본 외부 부품을 사용합니다.

회로 동작

먼저, V_IN(입력 전압)이 0V일 때 T1은 전도하지 않습니다. 반면 V_ref(기준 전압)는 1.98V로 T2가 전도하도록 합니다.

노드 B로 진행하면 회로를 전압 분배기로 간주하고 아래 공식으로 구성 요소 값에 따른 전압을 계산할 수 있습니다:

V_IN = 0V, V_ref = 5V

V_a = (R_a + R_b / R_a + R_b + R₁) × V_ref

V_b = (R_b / R_b + R₁ + R_a) × V_ref

우리가 확인했듯이 T2의 1.98V 전도 전압은 낮습니다. 또한 트랜지스터 단자의 베이스 전압은 1.28V로, 이미터 단자 전압 0.7V보다 높습니다.

따라서 회로 입력 전압을 높여 T1의 값을 넘게 하면 T1이 전도하기 시작합니다. 이로 인해 T2의 베이스 전압이 떨어집니다. T2 트랜지스터의 전도 기간이 짧아지면 출력 전압이 상승합니다.

트랜지스터를 사용한 슈미트 트리거

다음으로, T1 베이스 단자의 회로 입력 전압이 감소하기 시작합니다. 이 과정에서 베이스 단자 전압이 트랜지스터 이미터 단자의 0.7V를 넘어가면 트랜지스터가 비활성화됩니다.

전체 과정은 이미터 전류가 감소하여 트랜지스터가 순방향 능동 모드를 찾게 되는 지점에 의존합니다. 이후 T2의 베이스 단자 전압과 컬렉터 전압이 모두 상승합니다.

그러나 때로는 T2를 통해 적은 전류가 흐르는데, 이 전류가 T1을 끄고 이미터 전압을 떨어뜨릴 수 있습니다. 이런 상황에서는 T1을 비활성화하기 위해 회로 입력 전압을 약 1.3V로 낮춰야 합니다.

최종적으로 1.3V와 1.9V의 두 임계 전압을 얻게 됩니다.

연산 증폭기 기반 슈미트 트리거 회로

Op-Amp 기반 슈미트 트리거 회로는 비반전 입력과 반전 슈미트 트리거의 두 가지 주요 유형으로 나뉩니다.

반전 슈미트 트리거 회로

반전 슈미트 트리거 입력에서는 연산 증폭기(Op-Amp)의 반전 단자에 입력합니다. 또한 반전 모드에서 생성된 출력은 반대 극성을 가지며, 양의 피드백을 얻기 위해 비반전 단자에 적용해야 합니다.

반전 슈미트 트리거 회로

위 반전 슈미트 트리거 회로의 설명과 공식:

V_REF가 V_IN보다 작으면 비교기 출력은 -V_SAT입니다. 반대로 -V_REF가 V_IN보다 약간 더 크면(더 음수), 출력은 V_SAT가 됩니다. 따라서 V_o(비교기 출력 전압)는 -V_SAT 또는 V_SAT가 됩니다. 하지만 R₂나 R₁로 회로 입력 전압을 제어하여 회로의 상태 변화를 조절해야 합니다.

V_REF와 -V_REF 값 공식:

1. V_REF = (V_O × R₂) / (R₁ + R₂)
2. V_O = V_SAT, 따라서
3. V_REF = (V_SAT × R₂) / (R₁ + R₂)
4. -V_REF = (V_O × R₂) / (R₁ + R₂)
5. V_O = -V_SAT, 따라서
6. -V_REF = (-V_SAT × R₂) / (R₁ + R₂)

때때로 V_REF를 상한 임계 전압(V_UT)이라고 하고, -V_REF를 하한 임계 전압(V_LT)이라고 합니다.

비반전 슈미트 트리거 회로

Op-Amp 기반 슈미트 트리거 회로의 두 번째 모드에서는 회로 입력 전압을 연산 증폭기의 비반전 입력 단자에 적용합니다. 이후 이미터 저항 R₁을 통해 출력 전압이 비반전 단자 회로로 피드백됩니다.

비반전 슈미트 트리거 회로

초기 출력 전압이 V_SAT였다고 가정해 봅시다. V_LT가 V_IN보다 높은 한 출력 전압은 동일한 포화 레벨에 머뭅니다. 이후 회로 입력 전압이 하한 임계 전압 레벨을 초과하면 출력 상태가 -V_SAT로 변경됩니다. 직렬로 바이어스 전압을 변화시켜 원하는 기준 전압 값을 얻을 수도 있습니다.

최종적으로 회로 입력 전압이 상한 임계 전압 이상으로 상승할 때까지 출력은 -V_SAT 상태에서 일정하게 유지됩니다.

5. 슈미트 트리거의 응용 분야

슈미트 트리거 회로는 다음과 같은 여러 응용 분야에서 사용됩니다:

• 첫째, 스위치 디바운스 회로
• 음의 피드백을 가진 폐루프 설계에서 특히 이완 발진기 구현에 사용
• 함수 발생기와 전원 공급 장치에 사용
• 정현파를 구형파로 변환
• 디지털 회로에서 신호 조절용으로 활용하여 노이즈 신호 제거

요약

오늘 기사에서는 슈미트 트리거의 동작, 기본 회로 구조, 그리고 일부 응용 분야에 대한 자세한 통찰을 제공했습니다.

트리거의 높은 효율성에도 불구하고, Op-Amp를 레일까지 구동하는 등의 예방 조치가 필요합니다. 전력 소모가 증가하므로 고전력 소스가 필요합니다. 이러한 제한에도 불구하고 노이즈 신호를 제거하고 다중 출력 전이를 줄일 수 있습니다.

회로 설정이나 프로젝트에서 어려움을 겪고 계신가요? 더 자세한 내용은 문의해 주세요.