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1. 비안정 멀티바이브레이터란?
비안정 멀티바이브레이터는 이름 그대로 안정된 상태가 없는 회로입니다.
기본적으로 이 회로는 두 개의 트랜지스터, 저항, 그리고 커패시터로 구성되어 있으며, 외부 입력이 없어도 스스로 상태를 지속적으로 바꾸며, 일정한 주기로 출력 신호를 생성합니다.
따라서 비안정 멀티바이브레이터는 주기적인 진동을 생성하는 발진기(oscillator) 역할을 합니다.
비안정 멀티바이브레이터 회로는 펄스 신호를 생성하는 데 주로 사용되는 회로로, 디지털 회로에서 중요한 역할을 합니다.
디지털 시스템에서 동기식과 비동기식이라는 용어를 많이 들어보셨을 텐데, 이는 회로가 신호를 처리하는 방식과 관련이 있습니다.
동기식 회로는 외부에서 주는 클럭 신호에 맞춰 동작하는 회로이고, 비동기식 회로는 트리거 신호 없이도 스스로 동작하는 회로입니다.
1-1) 기본 개념
비안정 멀티바이브레이터 회로는 트리거 신호 없이도 지속적으로 파형을 생성하는 펄스 회로입니다.
이 회로는 외부 트리거 신호에 의존하지 않고 전원이 공급되기만 하면 계속해서 파형을 만들어내는 특징이 있습니다.
비안정이라는 용어는 여기에서 유래한 것으로, 회로가 안정된 상태에 머물지 않고 계속해서 변하는 상태를 의미합니다.
이 회로를 “자주(自走)”라고도 부르며, 이는 스스로 동작하는 회로라는 뜻입니다.
비안정 멀티바이브레이터 회로는 일정한 주기로 “HIGH”와 “LOW” 상태를 교대로 반복하며, 주기적인 신호를 생성하는 회로입니다.
이때 “HIGH” 상태는 출력 신호가 높은 전압을 의미하고, “LOW” 상태는 낮은 전압을 의미합니다.
일반적으로 이러한 비안정 상태는 커패시터와 저항의 충방전 시간에 따라 결정됩니다.
비안정 멀티바이브레이터는 발진기와 같은 역할을 하며, 특정 주파수의 사각파 신호를 생성합니다.
이 주파수는 커패시터의 용량(C)과 저항 값(R)에 따라 결정되며, RC 시간 상수에 따라 주기가 달라집니다.
이러한 회로는 디지털 회로에서 클럭 신호를 제공하거나, 타이머 역할을 하는 등 다양한 용도로 사용됩니다.
반대로, 안정 멀티바이브레이터는 외부에서 트리거 신호가 입력되어야만 파형을 생성합니다.
즉, 트리거 신호가 발생했을 때만 파형이 시작되고, 이후에는 자동으로 멈추거나 별도의 트리거 신호를 통해 다시 멈추게 됩니다.
이러한 회로는 주로 정밀한 타이밍이 필요한 시스템에서 사용됩니다.
단안정 멀티바이브레이터 회로는 파형을 발생시키는 데 하나의 트리거 신호만 필요하며, 특정 시간이 지나면 자동으로 원래 상태로 돌아갑니다.
반면, 쌍안정 멀티바이브레이터 회로는 시작과 종료를 위한 두 개의 트리거 신호가 필요합니다.
이러한 회로는 플립플롭 회로로도 많이 알려져 있으며, 데이터를 저장하거나 전환하는 데 주로 사용됩니다.
결국 비안정 멀티바이브레이터 회로는 전원이 공급되는 한 트리거 신호 없이도 지속적으로 주기적인 파형을 생성하는 회로입니다.
파형의 주기와 폭은 회로 내부의 RC 결합에 의해 결정되며, 이 결합 회로가 여러 개일 경우 멀티라는 용어가 사용됩니다.
비안정 멀티바이브레이터 회로는 기본적으로 두 개 이상의 공진 회로를 포함하고 있습니다.
정리하자면, 비안정 멀티바이브레이터 회로는 “트리거 신호 없이 스스로 주기적인 파형을 발생하는 펄스 회로”라고 할 수 있습니다.
이러한 회로는 클럭 생성기, 진동 회로 등 다양한 응용에서 중요한 역할을 합니다.
- 연관 참조 : 기본 파형의 종류,사인파, 삼각파, 사각파, 예제1, 각 파형 비교
- 연관 참조 : 단안정 멀티바이브레이터 회로, 동작 원리, 트랜지스터 기반 회로, TTL/CMOS 기반 회로
- 연관 참조 : 쌍안정 멀티바이브레이터 회로, 동작 원리, 유형, 비교 및 장.단점
- 연관 참조 : NE555 회로 설계,핀 구성, 5핀 사용 이유, 동작 모드별 설명,
2. 비안정 멀티바이브레이터 회로의 동작 원리
비안정 멀티바이브레이터 회로는 두 개의 트랜지스터와 커패시터, 저항을 상호 결합하여 동작하는 회로입니다.
이 회로는 트랜지스터들이 각각 교대로 ON/OFF 상태를 반복하며, 이 동작을 통해 주기적인 사각파 신호를 생성합니다.
이러한 상태를 비안정 상태라고 하며, 트랜지스터는 안정된 상태에 머물지 않고 지속적으로 교대하며 상태를 변화시킵니다.
2-1) 동작 원리
회로에 전원이 공급되면, 각각의 트랜지스터에는 저항과 커패시터를 통해 전류가 흐르기 시작합니다.
트랜지스터가 동작하기 위해서는 베이스-에미터 전압이 약 0.6~0.7V에 도달해야 하며, 이 전압에 도달하는 트랜지스터가 먼저 동작을 시작합니다.
트랜지스터 Q2가 먼저 동작하게 되면, Q2의 컬렉터 전압은 저항 R4에 의해 풀업(pull-up) 되어있던 전압 VCC에서 급격히 0V로 떨어집니다.
Q2의 컬렉터에 연결된 커패시터 C2 또한 이 변화를 반영하여, 그 반대쪽 단자 전위가 -VCC로 급감하게 됩니다.
이는 커패시터의 특성으로, 한쪽 단자 전압이 급격히 변하면 반대쪽 단자도 그 변화에 따라 움직이는 현상입니다.
이때, 커패시터 C2의 전위 감소로 인해 트랜지스터 Q1의 베이스 전압도 함께 낮아져, Q1은 완전히 OFF 상태로 전환됩니다.
Q2는 ON 상태를 계속 유지하며, C2는 저항 R3을 통해 서서히 충전됩니다.
시간이 지나면, C2의 충전 전위가 Q1의 베이스 전압을 다시 0.6~0.7V까지 상승시켜 Q1을 동작시키게 됩니다.
Q1이 동작하게 되면 Q1의 컬렉터 전압은 저항 R1에 의해 VCC에서 0V로 급감하게 되고, 동시에 Q1의 컬렉터에 연결된 커패시터 C1 전위도 급감하게 됩니다.
이때 C1의 전위 변화는 트랜지스터 Q2의 베이스 전압을 낮추어 Q2를 OFF 상태로 전환시킵니다.
이와 같이, 트랜지스터 Q1과 Q2는 교대로 ON/OFF 상태를 반복하며, 각 트랜지스터의 컬렉터 측에서 주기적인 스위칭 동작을 관찰할 수 있습니다.
이 스위칭 주기는 회로의 RC 시간 상수에 의해 결정되며, 일반적으로 트랜지스터 비안정 멀티바이브레이터 회로의 주기는 다음과 같이 계산됩니다.
T≈0.69×(R1×C1+R2×C2)
여기서 R과 C는 저항과 커패시터 값이며, 이 값들에 따라 주기적인 출력 신호의 주파수가 결정됩니다.
3. 비안정 멀티바이브레이터 회로 예제
500Hz 주파수에서 Duty Cycle 비율(mark-to-space 비율)이 1:5인 일련의 펄스를 생성하려면 안정적인 멀티비브레이터 회로가 필요합니다.
R2 = R3 = 100KΩ의 경우 필요한 커패시터, C1 및 C2의 값을 계산해보겠습니다.
비안정 멀티바이브레이터 회로에서 주파수와 마크-투-스페이스 비율(또는 듀티 사이클)은 저항 R2, R3와 커패시터 C1, C2값에 의해 결정됩니다.
주파수𝑓와 듀티 사이클은 다음의 수식으로 계산됩니다.
진동 주파수 f = 1/T = 1/{0.693×(R2×C1+R3×C2)}
Duty Cycle = Thigh(Mark) / Tlow(Space) = (R2×C1) / (R3×C2)
- 여기서
𝑓는 원하는 주파수 (500 Hz)
T는 한 주기의 전체 기간
𝑇high 는 출력이 높을 때의 시간,
𝑇low는 출력이 낮을 때의 시간,
R2 와 R3는 저항값,
C1 과 C2는 커패시터값입니다.
주어진 조건을 보면,
- 주파수 f=500 Hz
- R2=R3=100 kΩ=100×103 Ω
- Duty Cycle 비율 = 1:5 (즉, Thigh/Tlow=1/5).
제일 먼저 주기를 계산하면
T = 1/f = 1 / 500 = 0.02ms
Duty Cycle 비율을 이용해서 Thigh와 Tlow을 계산하면
Thigh = T/6 = 2ms/6 = 0.333ms
Tlow = 5T/6 = (2 ms×5)/6 = 1.667 ms
C1과 C2 값 계산하면
Thigh = 0.693×R2×C1
Tlow = 0.693×R3×C2
Thigh=0.333ms일 때
0.333ms=0.693×100×103Ω×C1
C1 = 0.333×10−3/ 0.693×100×103 = 4.81nF
Tlow = 1.667ms일 때
1.667ms=0.693×100×103Ω×C2
C2를 계산하면
C2 = 1.667×10−3/ 0.693×100×103=24.04 nF
따라서, 500Hz 주파수와 1:5 duty cycle 비율을 생성하기 위해 필요한 커패시터 C1과 C2 값은 각각 약 4.81nF와 24.04nF입니다.
4. 비안정 멀티바이브레이터 주파수 표
미리 계산된 주파수 표는 대칭적인 출력 주파수를 얻기 위해 필요한 R과 C 값들을 신속하게 찾아낼 수 있어, 새로운 주파수가 필요할 때마다 반복적으로 계산할 필요를 없애주는 매우 유용합니다.
비안정 멀티바이브레이터 회로에서 출력 주파수를 쉽게 조정하기 위해, 고정된 저항 R2와 R3를 가변 저항으로 대체하고, 커패시터 값을 일정하게 유지하는 방법을 사용할 수 있습니다.
이를 통해 원하는 주파수 값에 맞추거나 사용된 부품의 허용 오차를 보정하기 위해 주파수를 보다 쉽게 “튜닝”할 수 있습니다.
예를 들어, 위 표에서 10nF의 커패시터 값을 선택했다고 가정해 보겠습니다.
100kΩ의 가변 저항을 사용하면 출력 주파수를 71.4kHz에서 714Hz까지, 약 3개의 범위에 걸쳐 완전히 조정할 수 있습니다.
이와 비슷하게, 47nF의 커패시터를 선택하면 약 152Hz에서 15kHz를 넘는 주파수 범위를 제공할 수 있습니다.
이처럼 비안정 멀티바이브레이터 회로에 이러한 조정 기능을 추가함으로써, 다양한 타이밍 및 파형 생성 응용에서 특정 출력 주파수를 더 유연하게 얻고 미세 조정할 수 있습니다.
4-1) 추가 예제
비안정 멀티비브레이터 회로에 동일한 값의 3.3uF의 커패시터 두 개와 값 10KΩ의 기본 저항 두 개를 사용하여 구성되어 있고,
100KΩ 가변 저항이 두 저항과 직렬로 연결된 경우 최소 진동 주파수와 최대 진동 주파수를 계산해 보겠습니다.
주어진 값은
- 커패시터 값: C1 = C2 = 3.3µF
- 고정 저항: R2 = R3 = 10kΩ
- 가변 저항: 100kΩ
비안정 멀티바이브레이터 회로의 주파수는 저항과 커패시터 값에 의해 결정되므로, 주파수 공식은
f= 1/T = 1/{0.693×(R1+2R2)×C1}
- 여기서
- R1은 가변 저항(100kΩ),
- R2은 고정 저항(10kΩ),
- C는 커패시터 값(3.3µF),
- 0.693은 자연 로그 값에 따른 시간 상수
이 공식을 이용하여 가변 저항이 최소값(0Ω)일 때와 최대값(100kΩ)일 때 주파수를 계산하겠습니다.
가변 저항이 최소일 때 (0Ω)
이 경우 R1=0Ω이므로 전체 저항은 2R2=2×10kΩ=20kΩ입니다.
이를 주파수 공식에 대입하면
fmin = 1/{0.693×(0+2×10kΩ)×3.3µF}
fmin = 1/{0.693×20kΩ×3.3µF}
fmin = 1/{0.693×66×10−3}
fmin ≈ 1/0.0457 ≈ 21.88Hz
따라서, 최소 주파수는 약 21.88Hz입니다.
가변 저항이 최대일 때 (100kΩ)
이 경우 R1=100kΩ이므로 전체 저항은 R1+2R2=100kΩ+2×10kΩ=120kΩ입니다.
이를 주파수 공식에 대입하면
fmax = 1/{0.693×(100kΩ+2×10kΩ)×3.3µF}
fmax = 1/{0.693×120kΩ×3.3µF1}
fmax = 1/{0.693×396×10−3}
fmax ≈ 1/0.2745 ≈ 3.64Hz
따라서, 최대 주파수는 약 3.64Hz입니다.
따라서, 이 비안정 멀티바이브레이터 회로는 3.64Hz에서 21.88Hz 사이의 주파수 범위를 가질 수 있습니다.