이상적인 강압(벅) 컨버터가 100 kHz, L = 330 µH에서 24 V를 18 V로 바꿉니다. 인덕터 리플 전류의 피크 투 피크 값 ΔIL을(를) 구하시오.
Vin = 24 VVo = 18 Vf = 100 kHzL = 330 µH
ΔIL = A
10.DC-DC 컨버터어려움
이상적인 벅-부스트 컨버터가 25 kHz에서 8 Ω 부하에 대해 9 V를 −6 V로 바꿉니다. 출력 커패시터는 100 µF입니다. 출력 전압 리플의 피크 투 피크 값 ΔVo을(를) mV 단위로 구하시오.
Vin = 9 VVo = −6 Vf = 25 kHzC = 100 µFR = 8 Ω
ΔVo = mV
11.휘트스톤 브리지와 스트레인 게이지보통
네 변이 모두 200 Ω인 브리지에 10 V를 공급합니다. 센서 R₂가 변하면 출력이 Vab = 283 mV로 읽힙니다. R₂의 정확한 변화량 ΔR을(를) 구하시오.
Vs = 10 VR = 200 ΩVab = 283 mV
ΔR = Ω
12.휘트스톤 브리지와 스트레인 게이지어려움
1/4 브리지(능동 게이지 하나, GF = 2.1)에 5 V를 여기합니다. 측정해야 할 최대 변형률은 250 µε이며, 이것이 아날로그-디지털 변환기의 입력에서 2.5 V가 되어야 합니다. 증폭기 이득 G을(를) 구하시오.
Vs = 5 VGF = 2.1εmax = 250 µεVFS = 2.5 V
G =
13.디지털 논리: 게이트, 카르노 맵, 플립플롭보통
카르노 맵으로 F(A, B, C) = Σm(1, 3, 6)의 최소 합의 곱(POS) 형태를 구하시오. 합항(인수)은 몇 개(N)인가?
F(A, B, C) = Σm(1, 3, 6)
N =
14.디지털 논리: 게이트, 카르노 맵, 플립플롭어려움
mod-100 카운터는 서로 다른 100개의 상태를 거쳐야 한다. 필요한 플립플롭의 최소 개수 n은(는) 얼마인가?
N = 100
n =
3용액
1.다이오드와 트랜지스터
답: VCE = 3.341 V
BJT 동작점: 활성 영역에서 VBE = 0.7 V, IC = β·IB, IE = (β + 1)·IB입니다. 베이스 루프에 KVL을 적용해 IB를 구하고, 이어서 IC를, 그다음 컬렉터–이미터 루프에서 VCE를 구하세요. 베이스의 분압기는 테브난 등가 VTH = VCC·R₂/(R₁ + R₂), RTH = R₁∥R₂로 대체하며, 이미터 저항은 베이스 루프에서 (β + 1)배 크게 나타납니다.
베이스 전류
IB = (VCC − VBE)/RB = (9 − 0.7)/220 kΩ = 37.73 µA
컬렉터 전류
IC = β·IB = 150·37.73 µA = 5.659 mA
컬렉터–이미터 전압
VCE = 9 − 5.659 mA·1 kΩ = 3.341 V
답
VCE = 3.341 V
2.다이오드와 트랜지스터
답: ID = 27 mA
LED와 다이오드 회로: 순방향 바이어스된 LED는 전류와 관계없이 대략 순방향 전압 VF(빨강은 약 2 V, 파랑이나 흰색은 약 3 V)만큼 전압이 떨어집니다. 직렬 저항이 전류를 정합니다: 직렬 LED n개에 대해 R = (Vs − n·VF)/I. 더 정확한 다이오드 모델 V = V₀ + I·rd에서는 동작점이 다이오드 직선과 부하선 I = (Vs − V)/R이 만나는 곳이므로 I = (Vs − V₀)/(R + rd)입니다.
두 식을 결합하기
6 = 0.6 + I·(150 + 50)
동작 전류
ID = 5.4/200 = 27 mA
VD = 0.6 + 0.027·50 = 1.95 V
답
ID = 27 mA
3.연산 증폭기 회로
답: Vout = 7.5 V
이상 연산 증폭기 규칙: 부귀환이 있으면 연산 증폭기는 두 입력이 같은 전압(V₋ = V₊)이 되도록 출력을 조절하고, 어느 입력으로도 전류가 흘러 들어가지 않습니다. 이 두 사실로 반전 입력에서 KCL을 세우면 출력이 나옵니다.
+ 입력의 전압
V₊ = Vin·Rb/(Ra + Rb) = 4.5·10/(2 + 10) = 3.75 V
비반전 이득
V₋ = V₊이고, R₁을 흐르는 전류는 Rf도 흐릅니다.
Vout = V₊·(1 + Rf/R1) = 3.75·(1 + 10/10) = 7.5 V
답
Vout = 7.5 V
4.연산 증폭기 회로
답: Vout = 11.4 V
이상 연산 증폭기 규칙: 부귀환이 있으면 연산 증폭기는 두 입력이 같은 전압(V₋ = V₊)이 되도록 출력을 조절하고, 어느 입력으로도 전류가 흘러 들어가지 않습니다. 이 두 사실로 반전 입력에서 KCL을 세우면 출력이 나옵니다.
각 단의 이득
A1 = −Rf1/R1 = −100/100 = −1
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 22/2 = 12
단별 계산
V1 = −1·(−0.95) = 0.95 V
Vout = 12·0.95 = 11.4 V
답
Vout = 11.4 V
5.RC·RL 과도 현상
답: vL = 6.903 V
1차 과도 현상: 커패시터나 인덕터가 하나인 회로에서 모든 전압과 전류는 초기값에서 최종값으로 지수적으로 변합니다: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, τ = RC 또는 τ = L/R. 약 5τ 뒤에 회로가 정상 상태가 됩니다.
시정수와 최종 전류
스위치를 닫고 오래 지나면 인덕터는 단락처럼 동작하므로 최종 전류는 R로만 정해집니다.
τ = L/R = 47 mH / 50 Ω = 0.94 ms
i(∞) = Vs/R = 20/50 = 0.4 A
인덕터 전압
t = 0에서는 전원 전압 전체가 인덕터에 걸리고, 이후 0으로 감소합니다.
vL(t) = Vs·e−t/τ = 20·e−1/0.94 = 6.903 V
답
vL = 6.903 V
6.RC·RL 과도 현상
답: i2 = 1.368 mA
1차 과도 현상: 커패시터나 인덕터가 하나인 회로에서 모든 전압과 전류는 초기값에서 최종값으로 지수적으로 변합니다: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, τ = RC 또는 τ = L/R. 약 5τ 뒤에 회로가 정상 상태가 됩니다.
초기 커패시터 전압
정상 상태에서 커패시터는 개방 회로이므로 R₁과 R₂가 전압 분배기를 이룹니다. 스위치가 열릴 때 커패시터 전압은 급변할 수 없습니다.
vC(0) = 30·10/(4.7 + 10) = 20.41 V
스위치가 열린 뒤의 시정수
τ = R2·C = 10·10 = 100 ms
방전
vC(t) = 20.41·e−40/100 = 13.68 V
i2 = vC/R2 = 13.68/10 = 1.368 mA
답
i2 = 1.368 mA
7.저항의 직렬·병렬
답: IR1 = 1.906 A
직렬과 병렬 저항: 직렬에서는 각 저항에 같은 전류가 흐르고 R = R₁ + R₂ + …. 병렬에서는 각 저항에 같은 전압이 걸리고 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. 사다리 회로는 하나의 합성 저항이 남을 때까지 한 쌍씩 줄입니다.
먼 쪽 끝부터 저항 합치기
전원에서 가장 먼 끝에서 시작해 전원 쪽으로 돌아옵니다. 같은 전류가 흐르는 저항은 직렬, 같은 두 마디 사이의 저항은 병렬입니다.
R3 + R4 = 8 + 2 = 10 Ω
R2 ∥ 10 = 8·10/(8+10) = 4.444 Ω
Req = R1 + 4.444 = 5 + 4.444 = 9.444 Ω
전원 전류
전원은 Req만 보므로 옴의 법칙으로 전원이 내보내는 전류를 구합니다. 이 전류는 R₁에 흐릅니다.
IR1 = V1/Req = 18/9.444 = 1.906 A
답
IR1 = 1.906 A
8.저항의 직렬·병렬
답: Req = 11.84 Ω
직렬과 병렬 저항: 직렬에서는 각 저항에 같은 전류가 흐르고 R = R₁ + R₂ + …. 병렬에서는 각 저항에 같은 전압이 걸리고 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. 사다리 회로는 하나의 합성 저항이 남을 때까지 한 쌍씩 줄입니다.
먼 쪽 끝부터 저항 합치기
전원에서 가장 먼 끝에서 시작해 전원 쪽으로 돌아옵니다. 같은 전류가 흐르는 저항은 직렬, 같은 두 마디 사이의 저항은 병렬입니다.
R5 + R6 = 20 + 30 = 50 Ω
R4 ∥ 50 = 2.83 Ω
R3 + 2.83 = 22.83 Ω
R2 ∥ 22.83 = 1.839 Ω
Req = R1 + 1.839 = 10 + 1.839 = 11.84 Ω
답
Req = 11.84 Ω
9.DC-DC 컨버터
답: ΔIL = 0.1364 A
DC-DC 컨버터: 스위치 S는 매 주기 T = 1/f 중 D의 비율 동안 켜집니다. 정상상태에서 인덕터의 평균 전압은 0이며(볼트-초 평형), 이로부터 연속 전도 모드에서의 이상적인 변환비가 나옵니다. 강압(벅) Vo = D·Vin, 승압(부스트) Vo = Vin/(1 − D), 반전 벅-부스트 |Vo| = Vin·D/(1 − D)입니다. 이상적인 컨버터는 전력을 보존합니다: Vin·Iin = Vo·Io. S가 켜져 있는 동안 인덕터 전류는 ΔIL = VL·D·T/L만큼 증가하며, VL은 강압에서는 Vin − Vo, 승압과 벅-부스트에서는 Vin입니다. 출력 리플은 강압에서 ΔVo = ΔIL/(8fC), 승압과 벅-부스트에서 Io·D/(fC)입니다. 인덕터 전류가 겨우 0에 닿는 경우(CCM 경계)는 평균 인덕터 전류가 ΔIL/2와 같을 때입니다.
듀티비
D = 18/24 = 0.75
켜짐 시간 동안의 인덕터 전압
S가 켜져 있는 동안 인덕터는 Vin과 Vo 사이에 있습니다.
VL = 24 − 18 = 6 V
리플 전류
ΔIL = VL·D/(L·f) = 6·0.75/(330·10⁻⁶·100·10³) = 0.1364 A
답
ΔIL = 0.1364 A
10.DC-DC 컨버터
답: ΔVo = 120 mV
DC-DC 컨버터: 스위치 S는 매 주기 T = 1/f 중 D의 비율 동안 켜집니다. 정상상태에서 인덕터의 평균 전압은 0이며(볼트-초 평형), 이로부터 연속 전도 모드에서의 이상적인 변환비가 나옵니다. 강압(벅) Vo = D·Vin, 승압(부스트) Vo = Vin/(1 − D), 반전 벅-부스트 |Vo| = Vin·D/(1 − D)입니다. 이상적인 컨버터는 전력을 보존합니다: Vin·Iin = Vo·Io. S가 켜져 있는 동안 인덕터 전류는 ΔIL = VL·D·T/L만큼 증가하며, VL은 강압에서는 Vin − Vo, 승압과 벅-부스트에서는 Vin입니다. 출력 리플은 강압에서 ΔVo = ΔIL/(8fC), 승압과 벅-부스트에서 Io·D/(fC)입니다. 인덕터 전류가 겨우 0에 닿는 경우(CCM 경계)는 평균 인덕터 전류가 ΔIL/2와 같을 때입니다.
듀티비
D = 6/(9 + 6) = 0.4
부하 전류
Io = 6/8 = 0.75 A
출력 리플
ΔVo = 0.75·0.4/(25·10³·100·10⁻⁶) = 120 mV
답
ΔVo = 120 mV
11.휘트스톤 브리지와 스트레인 게이지
답: ΔR = 24 Ω
휘트스톤 브리지: 두 개의 분압기가 하나의 전원 Vs를 공유합니다. 왼쪽 분압기 R1–R2는 Va = Vs·R2/(R1 + R2)를, 오른쪽 분압기 R3–R4는 Vb = Vs·R4/(R3 + R4)를 주며, 출력은 Vab = Va − Vb입니다. 브리지는 R1/R2 = R3/R4, 즉 R1·R4 = R2·R3일 때 평형(Vab = 0, 계기에 전류가 흐르지 않음)입니다. 출력 단자에서 보면 브리지는 Rth = R1∥R2 + R3∥R4인 테브난 전원입니다.
노드 전압
Va = 5 + 0.283 = 5.283 V
분압식 풀기
R₂ = 200·5.283/(10 − 5.283) = 224 Ω
ΔR = 224 − 200 = 24 Ω
답
ΔR = 24 Ω
12.휘트스톤 브리지와 스트레인 게이지
답: G = 3810
스트레인 게이지: 게이지는 변형률에 따라 저항이 변합니다: ΔR/R = GF·ε이며, 게이지율 GF는 금속 박막에서 약 2입니다. 모든 변이 R로 같은 브리지에서 능동 게이지 하나(1/4 브리지)는 Vo ≈ Vs·GF·ε/4를 줍니다. 서로 인접한 변에 반대 변형률을 받는 능동 게이지 둘(1/2 브리지)은 Vs·GF·ε/2를, 넷(풀 브리지)은 Vs·GF·ε를 줍니다. 응력은 훅의 법칙 σ = E·ε에서 구합니다. 로드셀은 감도를 mV/V로 표기합니다. 이는 여기 전압 1 V당 정격 하중에서의 출력입니다.
풀 스케일에서의 브리지 출력
Vo = 0.6563 mV
이득
G = 2.5/0.0006563 = 3810
답
G = 3810
13.디지털 논리: 게이트, 카르노 맵, 플립플롭
답: N = 3
카르노 맵: 칸은 그레이 코드(00, 01, 11, 10) 순서로 배열되므로, 가장자리를 넘어 이웃한 칸을 포함해 이웃한 칸은 정확히 한 변수만 다릅니다. 모든 1이 덮일 때까지 1들을 1, 2, 4, 8, 16칸의 직사각형으로, 가능한 한 크고 가능한 한 적게 묶으세요. 각 그룹은 그 안에서 일정하게 유지되는 변수로 이루어진 곱항 하나입니다. 2ᵏ칸의 그룹은 변수 k개를 잃습니다. 무정의항(X)은 그룹을 키우는 데 쓸 수 있지만 반드시 덮을 필요는 없습니다. 0들을 묶으면 최소 POS 형태가 나옵니다.
0 묶기
모든 그룹은 2ᵏ칸의 직사각형입니다. 가장자리 칸은 반대쪽 가장자리의 칸과 이웃합니다.
(B + C)
(A + C)
(A′ + C′)
최소 POS 형태
F = (B + C)(A + C)(A′ + C′)
N = 3
답
N = 3
같은 크기의 다른 묶음도 있으며, 항과 리터럴의 수는 같습니다.
14.디지털 논리: 게이트, 카르노 맵, 플립플롭
답: n = 7
플립플롭과 카운터: 플립플롭은 클록의 활성 에지에서만 바뀝니다. D는 입력을 복사합니다(Q⁺ = D). T는 T = 1이면 토글합니다. JK는 00이면 유지, 01이면 리셋, 10이면 셋, 11이면 토글합니다. n비트 이진 카운터는 상태가 2ⁿ개이고 2ⁿ을 법으로 세며, mod-N 카운터는 0, 1, …, N − 1을 거쳐 다시 0으로 돌아가고 2ⁿ ≥ N인 가장 작은 n개의 플립플롭이 필요합니다. 리플 카운터는 단마다 주파수가 절반이 되므로 mod-N 카운터의 마지막 출력은 fclk/N으로 동작합니다. 플립플롭 n개의 존슨 카운터는 상태가 2n개, 링 카운터는 n개입니다.