다이오드의 대신호(Large-Signal)와 소신호(Small-Signal) 동작에 대해 알아보자

이 글은 다이오드 회로의 세번째 진도입니다.

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2021.10.02 - [회로 관련 전공/회로 과정 통합 글] - 다이오드 회로의 일정전압모델 해석

다이오드 회로의 일정전압모델 해석

2021.10.02 - [회로 관련 전공/회로 과정 통합 글] - 이상적인 다이오드 회로의 이해(회로기초, 측정을 통해 이해해보자)

이상적인 다이오드 회로의 이해(회로기초, 측정을 통해 이해해보자)

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대신호(Large-Signal)는 무엇일까?

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이 주제를 이해하기 위해서는 다이오드의 I/V 특성 이해해야한다. 따라서 아래 링크를 읽어보는 것을 추천한다.

 

2022.02.11 - [회로 관련 전공/회로 과정 통합 글] - 바이어스(Bias)의 의미와 PN 접합의 평형 상태, 순방향 바이어스, 역방향 바이어스에 대해 알아보자

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대신호라는 말은 어떤 능동 소자(Active Device)의 I/V 특성을 보는 것을 말하게 된다.

다이오드에서 I/V 특성은 전압이 변화할 수록 전류가 지수 함수의 형태를 띄는 모습을 보여주게 된다. 그림 1을 보도록 하자.

 

그림 1. 대신호 특성을 확인하기 위한 다이오드의 I/V 특성

 

그림 1을 통해 이런 지수 I/V 특성과 같은 상황을 대신호 동작(Large-Signal Operation)이라 부르고 다이오드의 전압이 임의의 신호의 크기를 수용할 수 있다는 것을 강조하기 위해 대신호 모델(Large-Signal Model)이라 부른다.

 

다시 설명해서, 그림 1을 다시 보면 다이오드 전압(Signal)이 크게(Large) 변화함을 볼 수 있고 "다이오드"는 모델(Model)이 되는 것이다.

 

여기서 Signal은 전압이 될 수 있고, 전류가 될 수 있음을 잊지말자

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소신호(Small-Signal)이란?

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다이오드에서의 소신호 동작(Small-Signal Operation)은 "아~ 그렇구나~"라고 넘겨 읽는게 대부분이다. 하지만 BJT나 MOSFET 회로를 해석할 때 소신호 동작은 매우 중요하다.

 

따라서 다이오드의 소신호와 소신호 동작, 소신호 등가 모델에 대해서 완벽히 이해하는 것이 좋다.

 

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간단하게 읽어두면 좋을 수 있다.

 

2021.10.09 - [회로 관련 전공/회로 과정 통합 글] - 소신호 등가모델(Small Signal Equivalent Model)에 알아보자

소신호 등가모델(Small Signal Equivalent Model)에 알아보자

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위 포스팅에서 언급했듯이 소신호는 대신호 동작에 비해 작은 신호가 들어옴을 의미한다.

그림 1에서 설명한 대신호 특성(I/V 특성)에서 x축(VD, 순방향 바이어스 영역)인  어느 지점에 상대적으로 작은 신호 즉 점(point)과도 같은 정현파(cos, sin) 신호가 인가 되었을 때 다이오드 전류의 변화는 아주 작은 변화일 것이다.

 

아래의 회로를 보도록 하자

 

그림 1. 다이오드 회로

 

다이오드에 어떤 DC 전압과 시간에 따라 전압의 양이 변화하는 전압(v(t))가 있다고 가정하자.(ac 전압으로 생각하라)

여기서 DC 전압은 문턱전압 보다 큰 전압의 양을 가지고 있으며 시간에 따라 변화하는 전압으로 인해 문턱 전압 이하로 떨어지는 일이 없을 정도로 충분한 DC 전압이 인가되어 있다.

 

v(t)는 아래와 같은 정현 신호가 인가 되어있다.

 

식 1

따라서 다이오드의 I/V 특성은 아래 그림 2처럼 요동침을 알 수 있다.

 

그림 2. 그림 1 회로에서 보이는 두 전압을 인가함으로써 생기는 I/V 특성의 변화(대충 표현했다... 이해바랍니다)

 

 I/V특성에서 교류 신호(ac signal)의 인가로 인해 DC 전압 지점에서 시간에 따라 전압이 흔들리는데 이 부분을 정현 신호의 1/4 주기만 보게 되면 아래와 같다.

 

그림 3. 1/4 주기

 

신호가 올라감에 따라 다이오드 전류도 상승하는 모습(빨간선)이 보이게 되는데 이 작은(Small) 증가는 선형적으로 변함을 볼 수 있다. (신호가 더 작을 수록 선형적으로 보임)

 

따라서 해당 부분을 미분(순간 변화율)하게 되면 (dI/dV) 아래와 같은 결과를 얻는다.

 

식 2

식 2는 바이어스 전압(dc 전압)으로 나오게 되는 다이오드 전류(ID)와 문턱전압의 비임을 알 수 있다.

 

"다이오드 소신호 트랜스컨덕턴스"(small-signal transconductance)를 의미하게 되며 전압을 인가할 때 전류를 얼마나 변환시키느냐의 척도가 된다.

 

식 2에서 소문자로 적은 이유는 작은 신호의 변화 즉 ac 신호를 의미하기 위해서 i or v와 같은 소(small) 문자로 적는 것이다. 대신호는 대문자 I or V로 적는 것을 의미한다.

 

식 2를 역수로 변환시키면 아래와 같다.

 

식 3

 

식 3은 식 2의 역수이며 다이오드의 소신호 저항(small-signal resistance)이라 부른다.

 

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2022.01.13 - [전공(Major)/전자회로 1 과정] - 전자회로 1 커리큘럼

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