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80회 문제 7번
다음 회로에서 입력 \( V_{in} \)으로 \( 0V \sim 5V \)의 구형파가 인가될 때 출력전압 \( V_{out} \)을 구하여 파형을 그리고, 출력파형의 전압값을 표시하시오.
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Master Craftsman Electronics
80회 2026.8.30 시험 종료
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비교기와 적분기를 이용한 삼각파 발생회로이다.
연결은 다음과 같다.
R1 = 100kΩ : 비교기 출력 → 적분기 반전입력(-)
R2 = 30kΩ : 비교기 출력 → 비교기 비반전입력(+)
R3 = 10kΩ : 적분기 출력 → 비교기 비반전입력(+)
C1 = 0.01μF : 적분기 출력 → 적분기 반전입력(-)
비교기 출력은 구형파가 되고, 적분기 출력은 삼각파가 된다.
∴ 정답 : 비교기 + 적분기형 삼각파 발생회로
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DC 해석, AC 해석, 과도(Transient) 해석
PSpice는 전자회로를 실제로 제작하기 전에 컴퓨터로 회로의 동작을 해석하는 시뮬레이션 프로그램입니다.
PSpice에서 대표적으로 사용하는 해석은 다음과 같습니다.
따라서 시험에서 PSpice의 해석 용도를 묻는다면 이 세 가지를 핵심으로 기억하는 것이 좋습니다.
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청색 LED 3개가 직렬로 연결되어 있으므로 먼저 LED에서 소비되는 전체 전압을 구합니다.
LED 1개의 순방향 전압이 3.5V이므로, LED 3개의 전체 순방향 전압은
\( V_F=3.5\times3=10.5V \)
입니다.
인가전압이 12V이므로 저항에 걸리는 전압은 전체 전압에서 LED 3개의 순방향 전압을 빼서 구합니다.
\( V_R=12-10.5=1.5V \)
전류는 60mA이므로 A 단위로 변환하면,
\( I=60mA=60\times10^{-3}A=0.06A \)
입니다.
이제 옴의 법칙을 이용합니다.
\( R=\frac{V}{I} \)
저항에 걸리는 전압 1.5V와 전류 0.06A를 대입하면,
\( R=\frac{1.5}{0.06}=25\Omega \)
따라서 60mA의 전류를 흐르게 하기 위해 필요한 저항값은 25Ω입니다.
∴ 저항값 = 25Ω
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1차 측 전압이 110VAC이고 변압기의 권선비가 3:1이므로 먼저 2차 측 실효전압을 구합니다.
\( V_2=\frac{110}{3}\approx36.7V \)
여기서 36.7V는 교류전압의 실효값(RMS)입니다.
반파정류 회로에서 다이오드가 순방향으로 도통하면 커패시터가 충전됩니다.
커패시터는 2차 측 교류전압의 실효값이 아니라 최대값(피크값)까지 충전되므로,
\( V_m=V_2\sqrt{2} \)
입니다.
따라서,
\( V_m=36.7\times\sqrt{2} \)
\( V_m=36.7\times1.414\approx51.9V \)
스위치가 ON일 때는 저항이 부하로 연결되어 커패시터가 저항을 통해 방전할 수 있습니다.
그러나 스위치를 OFF하면 저항 부하가 분리되어 커패시터의 방전 경로가 없어집니다.
따라서 충분한 시간이 지나 안정된 상태에서는 커패시터가 최대전압에 가깝게 충전된 상태를 유지하므로 출력전압은 약 51.9VDC가 됩니다.
※ 실제 실리콘 다이오드에서는 약 0.7V의 순방향 전압강하가 있으므로 이를 고려하면 출력전압은 약 51.2VDC가 됩니다. 다만 문제에서 다이오드의 전압강하를 별도로 제시하지 않았다면 이상적인 다이오드로 계산합니다.
∴ 2차 측 출력전압 ≒ 51.9VDC
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C : NPN형 고주파용 트랜지스터
암기는 A·B = PNP / C·D = NPN, 그리고 A·C = 고주파 / B·D = 저주파로 묶어두면 편합니다.
트랜지스터 2SC1815Y의 명칭은 일본의 JIS 반도체 명명법에 따른 것입니다.
2SC1815Y를 나누어 보면 다음과 같습니다.
여기서 문제에서 묻는 C는 트랜지스터의 용도와 극성을 나타내는 분류 문자입니다.
JIS 분류에서는 보통
으로 구분합니다.
따라서 2SC1815는 NPN형 고주파용 트랜지스터로 분류됩니다.
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오실로스코프의 CH1과 CH2의 GND가 내부적으로 공통 연결되어 있어 입력측과 출력측의 GND 리드를 각각 연결하면 두 지점이 전기적으로 연결된다. 이로 인해 회로에 순간적인 단락 경로가 형성되기 때문이다.
일반적인 2채널 오실로스코프는 CH1과 CH2의 GND가 내부적으로 공통으로 연결되어 있다.
따라서 그림과 같이 CH1의 GND 리드를 교류 입력측에 연결하고 CH2의 GND 리드를 정류회로 출력측에 연결하면, 서로 다른 두 지점이 오실로스코프 내부의 공통 GND를 통하여 전기적으로 직접 연결된다.
즉, \( GND_{CH1} = GND_{CH2} \) 가 되므로 입력측과 출력측 사이에 의도하지 않은 단락 경로가 형성된다.
이 때문에 브리지 정류회로가 정상적인 상태로 동작하지 못하고 특정 반주기에서 큰 전류가 흐르게 되어 그림과 같이 음(-)의 파형이 나타나지 않는다.
또한 단락에 의한 과전류가 정류 다이오드에 흐를 경우 다이오드가 과열되어 열화되거나 파손될 수 있으므로 측정 시 주의해야 한다.
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회로 명칭 : 빈 브리지 발진회로(Wien Bridge Oscillator)
발진 주파수 :
\( f_0 = \frac{1}{2\pi\sqrt{R_3R_4C_1C_2}} \)
단, \( R_3=R_4=R \), \( C_1=C_2=C \)인 경우
\( f_0 = \frac{1}{2\pi RC} \)
이 회로는 연산증폭기와 RC 진상-지상(Lead-Lag) 회로를 이용한 빈 브리지 발진회로(Wien Bridge Oscillator)이다.
\( R_1 \), \( R_2 \)는 연산증폭기의 이득을 설정하는 부귀환 회로이며, \( R_3 \), \( R_4 \), \( C_1 \), \( C_2 \)로 구성된 RC 회로가 발진 주파수를 결정한다.
빈 브리지 발진회로의 발진 주파수는
\( f_0 = \frac{1}{2\pi\sqrt{R_3R_4C_1C_2}} \) 이다.
만약 \( R_3=R_4=R \) 이고,
\( C_1=C_2=C \) 라면,
\( \sqrt{R_3R_4C_1C_2} = \sqrt{R^2C^2} = RC \) 이므로 발진 주파수는
\( f_0 = \frac{1}{2\pi RC} \) 가 된다.
따라서 회로의 명칭은 빈 브리지 발진회로이며, 발진 주파수는
\( f_0 = \frac{1}{2\pi\sqrt{R_3R_4C_1C_2}} \) 이다.
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비금속 절연체는 금속에 비해 국부적인 압력에 취약하므로 볼트 머리, 너트 또는 스프링와셔가 직접 접촉한 상태로 조이면 절연체가 눌리거나 파손될 수 있다.
따라서 절연체와 체결부 사이에는 평와셔(금속와셔)를 설치하여 체결력을 넓은 면적으로 분산시킨다. 스프링와셔는 절연체에 직접 접촉시키지 않고 평와셔와 너트 사이의 금속 접촉부에 설치하여 풀림을 방지한다.
올바른 체결 순서는 다음과 같다.
너트 → 스프링와셔 → 평와셔 → 절연체 → 금속판 → 평와셔 → 볼트 머리
즉, 절연체에는 평와셔를 사용하여 하중을 분산하고, 스프링와셔는 평와셔 바깥쪽에 배치하여 체결한다.
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필터의 용도:
원하는 주파수 성분은 통과시키고 불필요한 주파수 성분 및 잡음을 제거(감쇠)하여 원하는 파형을 얻기 위해 사용한다.
👉 암기 핵심: 필요한 주파수 통과 + 불필요한 주파수 제거
함수발생기(Function Generator)는 정현파, 구형파, 삼각파 등 여러 파형을 발생시키는데, 실제 출력에는 원하는 기본 주파수 성분뿐만 아니라 고조파나 불필요한 고주파 성분(잡음)이 포함될 수 있습니다.
이때 필터(Filter)를 사용하여 원하는 주파수 성분은 통과시키고, 불필요한 주파수 성분은 감쇠시킵니다.
특히 함수발생기에서 만들어진 파형을 보다 깨끗하게 만들거나 필요한 주파수 대역만 얻기 위한 용도로 사용합니다.
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ㄴ → ㄱ → ㄹ → ㄷ
회로설계 → PCB Design → PCB제작 → PCB Assembly
👉 외우실 때는 회로를 먼저 그리고 → PCB를 설계하고 → 기판을 만들고 → 부품을 조립한다로 기억하면 쉽습니다.
PCB가 완성되는 과정을 생각하면 순서를 쉽게 기억할 수 있습니다.
먼저 회로설계를 통해 어떤 부품을 어떻게 연결할지 회로도를 작성합니다.
그다음 설계된 회로를 실제 PCB 기판에 배치하고 배선하는 PCB Design 작업을 합니다. 여기에는 부품 배치와 패턴(트레이스) 설계 등이 포함됩니다.
PCB 설계가 완료되면 그 데이터를 바탕으로 실제 기판을 만드는 PCB제작 단계로 넘어갑니다.
마지막으로 제작된 PCB에 저항, IC, 커패시터 등의 부품을 실장하고 납땜하는 PCB Assembly를 진행합니다.
따라서 순서는
회로설계 → PCB Design → PCB제작 → PCB Assembly
입니다.
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이 회로에서 \( R_2 \)와 \( C_1 \)은 연산증폭기의 출력과 반전 입력 사이에 병렬로 연결되어 피드백 회로를 구성한다.
커패시터의 임피던스는 주파수가 높아질수록 작아지므로, 주파수가 증가하면 피드백 임피던스가 감소하고 회로의 이득도 감소한다.
이때 이득이 통과대역에 비해 -3dB가 되는 주파수를 차단주파수 \( f_c \)라고 하며, 이 회로의 차단주파수는 \( R_2 \)와 \( C_1 \)에 의해 결정된다.
차단주파수는 \( f_c=\frac{1}{2\pi R_2C_1} \) 이다.
주어진 값을 기본 단위로 변환하면,
\( R_2=33k\Omega=33\times10^3\Omega \)
\( C_1=1nF=1\times10^{-9}F \) 이므로,
\( f_c=\frac{1}{2\pi(33\times10^3)(1\times10^{-9})} \)
\( f_c\approx4823Hz \)
따라서, \( f_c\approx4.82kHz \) 이다.
여기서 \( R_1 \)은 입력저항으로 회로의 이득에 관여하지만, 이 회로의 차단주파수는 피드백 경로에 병렬로 연결된 \( R_2 \)와 \( C_1 \)에 의해 결정되므로 차단주파수 계산에는 \( R_1 \)을 사용하지 않는다.
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K : N채널 전계효과 트랜지스터(FET)를 의미한다.
∴ 2SK2350은 N채널 FET이다.
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표면실장형(SMD) IC의 대표적인 패키지는 다음과 같다.
① SOP (Small Outline Package)
② QFP (Quad Flat Package)
③ PLCC (Plastic Leaded Chip Carrier)
∴ SOP, QFP, PLCC
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고장개소 : C5
고장원인 : 단선
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RTL 회로나 FPGA 등의 하드웨어를 이용하여 제어 동작을 검증하는 것을 HILS(Hardware-In-the-Loop Simulation) 시뮬레이션이라고 한다.
∴ 정답 : HILS
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다이오드 D1, D2에 의해 커패시터의 충전과 방전 경로가 분리되므로,
\( T_{ON}=0.693R_1C_1 \)
\( T_{OFF}=0.693R_2C_1 \)
듀티비는,
\( D=\frac{T_{ON}}{T_{ON}+T_{OFF}}\times100 \)
따라서,
\( D=\frac{R_1}{R_1+R_2}\times100 \)
\( D=\frac{1k}{1k+1k}\times100=50\% \)
∴ 듀티비 = 50%
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FR-4는 에폭시 수지와 유리섬유로 만들어진 PCB 기판 재질로, 수분흡수율이 낮고 절연성, 아크 저항성 및 내열성이 우수하다.
FR은 Flame Retardant의 약자로 난연성을 의미한다.
∴ 정답 : FR-4 (유리섬유 강화 에폭시 적층판)
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반분할기법은 고장 범위를 절반씩 나누어 측정하면서 고장 위치를 찾아가는 방법이다.
8개의 전구를 반씩 나누어 측정하면,
\( 8 \rightarrow 4 \rightarrow 2 \rightarrow 1 \)
이므로 총 3회의 측정으로 고장 위치를 찾을 수 있다.
∴ 정답 : 3회(3 step)
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LM317의 출력전압은 다음과 같다.
\( V_{out}=V_{REF}\left(1+\frac{R_2}{R_1}\right)+I_{ADJ}R_2 \)
\(I_{ADJ}=0A\)이므로,
\( V_{out}=V_{REF}\left(1+\frac{R_2}{R_1}\right) \)
주어진 값을 대입하면,
\( 10=1.25\left(1+\frac{R_2}{125}\right) \)
\( 8=1+\frac{R_2}{125} \)
\( \frac{R_2}{125}=7 \)
따라서,
\( R_2=7\times125=875\Omega \)
∴ 정답 : \(R_2=875\Omega\)
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오실로스코프의 X-Y 모드에서 다이오드 양단의 전압을 X축으로 하고, 저항에 걸리는 전압을 이용하여 다이오드 전류를 Y축으로 나타낸다.
CH A는 다이오드 양단의 전압을 측정하고,
CH B는 저항 양단의 전압을 측정한다.
따라서 각 측정 위치는,
① a
② b
③ c
④ b
∴ 정답 : ① a, ② b, ③ c, ④ b
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신호의 실제 타이밍이 이상적인 기준 타이밍에서 벗어나는 시간 변동을 지터(Jitter)라고 한다.
대표적인 종류에는 TIE 지터, 주기 지터(Period Jitter), 사이클-사이클 지터(Cycle-to-Cycle Jitter) 등이 있다.
∴ 정답 : 지터(Jitter)
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(1) 고장 부품 : TR
(2) 고장 이유 :
SW OFF 시 \( V_{BE}=0.7V \)로 정상적인 베이스 바이어스가 인가되었음에도 \( V_{CE}=10V \)로 유지되어 컬렉터-이미터 사이가 도통되지 않으므로 TR 불량이다.
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전체 합성저항은,
\( R_T=\frac{V}{I}=\frac{10}{0.1}=100\Omega \)
60Ω의 저항이 직렬로 연결되어 있으므로 병렬부분의 합성저항은,
\( R_P=100-60=40\Omega \)
병렬회로의 합성저항 공식에 대입하면,
\( \frac{1}{40}=\frac{1}{500}+\frac{1}{300}+\frac{1}{200}+\frac{1}{150}+\frac{1}{R} \)
\( 0.025=0.017+\frac{1}{R} \)
\( \frac{1}{R}=0.008 \)
따라서,
\( R=\frac{1}{0.008}=125\Omega \)
∴ 정답 : \(R=125\Omega\)
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저역통과필터(LPF : Low Pass Filter)
저주파 성분은 통과시키고 고주파 성분의 잡음은 감쇠시켜 제거하는 필터이다.
∴ 정답 : 저역통과필터(LPF)
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SMPS에서 고장이 자주 발생하는 부품은,
① 전해 커패시터(C)
② 스위칭 트랜지스터 또는 MOSFET(Q)
③ 정류 다이오드(D)
∴ C → Q → D 순으로 점검한다.
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왼쪽 박스는 Twin-T 여과기를 이용한 부귀환 회로이다.
주어진 소자에 빠진 커패시터 \(C\), 저항 \(R\) 및 배선을 추가하여 Twin-T 여과기를 완성한다.
위쪽 T회로는 커패시터 \(C\) 두 개를 직렬로 연결하고, 두 커패시터의 중간점에 저항 \(R/2\)을 접지로 연결한다.
아래쪽 T회로는 저항 \(R\) 두 개를 직렬로 연결하고, 두 저항의 중간점에 커패시터 \(2C\)를 접지로 연결한다.
오른쪽 박스는 \(R_1\)과 \(R_2\)로 구성된 전압분할기 정귀환 회로이며, 출력의 일부를 비반전 입력으로 되먹임하도록 배선을 완성한다.
∴ 왼쪽 박스 : Twin-T 여과기(부귀환 회로)
∴ 오른쪽 박스 : 전압분할기(정귀환 회로)
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아날로그 멀티테스터를 저항 측정 범위(Ω)에 놓는다.
검정(-) 리드를 한 단자에 고정하고 빨강(+) 리드를 나머지 두 단자에 번갈아 접촉한다.
두 경우 모두 낮은 저항값을 나타내면 검정(-) 리드가 접촉된 단자가 NPN형 트랜지스터의 베이스(B)이다.
∴ NPN형 베이스 : 검정(-) 리드를 고정했을 때, 빨강(+) 리드로 나머지 두 단자를 각각 측정하여 모두 낮은 저항값을 나타내는 단자
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\(Q_2\)가 동작하기 시작할 때 \(R_3\) 양단의 전압은 \(Q_2\)의 베이스-이미터 전압과 같으므로,
\(V_{R3}=V_{BE}=0.6V\)
LED의 정전류가 \(20mA\)이므로,
\(R_3=\frac{V_{R3}}{I}=\frac{0.6}{20\times10^{-3}}\)
따라서,
\(R_3=30\Omega\)
∴ 정답 : \(30\Omega\)
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이 회로는 입력 클록 주파수를 \(2\)분주하는 토글형 분주회로이다.
따라서 출력 \(Q\)의 주파수는,
\(f_Q=\frac{f_{CLK}}{2}\)
\(f_Q=\frac{100kHz}{2}=50kHz\)
∴ 정답 : \(50kHz\)
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\(R_2\)가 단선되면 회로의 전류가 흐르지 않으므로,
\(I=0A\)
따라서 \(R_1\)에서 발생하는 전압강하는,
\(V_{R1}=IR_1=0V\) 이다.
그러므로 A점의 전압은 전원전압과 같으며,
\(V_{AB}=10V\)
∴ 정답 : \(10V\)
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작업
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가중저항형 D/A 변환회로의 출력전압은,
\(V_{out}=-R_f\left(\frac{V_1}{R_1}+\frac{V_2}{R_2}+\frac{V_3}{R_3}+\frac{V_4}{R_4}\right)\) 이다.
주어진 값을 대입하면,
\(V_{out}=-10k\left(\frac{5}{10k}+\frac{0}{20k}+\frac{5}{40k}+\frac{5}{80k}\right)\)
\(V_{out}=-(5+0+1.25+0.625)\)
\(V_{out}=-6.875V\)
∴ 정답 : \(-6.875V\)
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이 회로는 연산증폭기를 이용한 미분회로이므로,
\(V_{out}=-RC\frac{dV_{in}}{dt}\) 이다.
\(R=1k\Omega\), \(C=0.0022\mu F\)이므로,
\(RC=1\times10^3\times0.0022\times10^{-6}=2.2\mu s\) 이다.
입력 톱날파가 \(-5V\)에서 \(+5V\)까지 상승하므로 전압변화량은,
\(\Delta V=10V\) 이다.
주기가 \(10\mu s\)일 때,
\(\frac{\Delta V}{\Delta t}=\frac{10}{10}=1V/\mu s\)
따라서, \(V_{out}=-2.2\times1=-2.2V\)
주기가 \(15\mu s\)일 때, \(\frac{\Delta V}{\Delta t}=\frac{10}{15}=0.667V/\mu s\)
따라서, \(V_{out}=-2.2\times0.667\approx-1.47V\)
톱날파가 급격히 하강하는 순간에는 출력이 양의 방향으로 크게 발생하여 전원전압에 의해 약 \(+5V\)에서 제한된다.
∴ \(10\mu s\) : 최고치 약 \(+5V\), 최저치 \(-2.2V\)
∴ \(15\mu s\) : 최고치 약 \(+5V\), 최저치 약 \(-1.47V\)
이 회로는 입력단에 커패시터 \(C_1\), 귀환회로에 저항 \(R_2\)가 연결된 연산증폭기 미분회로이다.
미분회로의 출력전압은 입력전압의 시간에 따른 변화율에 비례하며,
\(V_{out}=-RC\frac{dV_{in}}{dt}\) 로 나타낼 수 있다.
주어진 값은,
\(R=1k\Omega\)
\(C=0.0022\mu F\)
이므로 시정수는,
\(RC=1\times10^3\times0.0022\times10^{-6}\)
\(RC=2.2\times10^{-6}s=2.2\mu s\) 이다.
입력 톱날파형은 \(-5V\)에서 \(+5V\)까지 변화하므로 한 번의 상승구간에서 전압변화량은,
\(\Delta V=+5-(-5)=10V\) 이다.
먼저 주기가 \(10\mu s\)인 경우 입력전압의 변화율은,
\(\frac{dV_{in}}{dt}=\frac{10V}{10\mu s}=1V/\mu s\) 이다.
따라서 출력전압은,
\(V_{out}=-2.2\mu s\times1V/\mu s\)
\(V_{out}=-2.2V\) 가 된다.
주기가 \(15\mu s\)인 경우에는,
\(\frac{dV_{in}}{dt}=\frac{10V}{15\mu s}\approx0.667V/\mu s\) 이므로,
\(V_{out}=-2.2\mu s\times0.667V/\mu s\)
\(V_{out}\approx-1.47V\) 가 된다.
톱날파가 일정한 기울기로 상승하는 동안에는 변화율이 일정하므로 출력도 일정한 음의 전압으로 나타난다.
반면 톱날파가 \(+5V\)에서 \(-5V\)로 급격히 떨어지는 순간에는 입력전압의 변화율이 매우 큰 음의 값이 되므로, 미분회로의 출력은 큰 양의 펄스로 나타난다.
이론적으로는 매우 큰 출력이 발생하지만 실제 연산증폭기의 출력은 전원전압 이상으로 나갈 수 없으므로 \(\pm5V\) 전원을 사용한다면 양의 출력은 약 \(+5V\) 부근에서 제한된다.
따라서 출력파형은 상승구간에서는 일정한 음의 전압을 유지하고, 톱날파가 급격히 하강하는 순간마다 양의 펄스가 발생하는 형태가 된다.
∴ \(10\mu s\) : 최고치 약 \(+5V\), 최저치 \(-2.2V\)
∴ \(15\mu s\) : 최고치 약 \(+5V\), 최저치 약 \(-1.47V\)
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RoHS : Restriction of Hazardous Substances
전기·전자제품의 제조 시 특정 유해물질의 사용을 제한하는 지침이다.
∴ 유해물질 사용제한 지침
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① 전류제어형 소자이다.
② 전압제어형 소자이다.
③ 입력 임피던스가 매우 높다.
④ 입력 임피던스가 비교적 낮다.
⑤ 다수 캐리어에 의해 동작하는 단극성 소자이다.
⑥ 전자와 정공을 이용하는 양극성 소자이다.
⑦ 잡음이 비교적 적다.
⑧ 온도 안정성이 비교적 좋다.
⑨ 소비전력이 작다.
⑩ 베이스 전류에 의해 컬렉터 전류를 제어한다.
FET의 특징은 다음과 같다.
② 전압제어형 소자이다.
③ 입력 임피던스가 매우 높다.
⑤ 다수 캐리어에 의해 동작하는 단극성 소자이다.
⑦ 잡음이 비교적 적다.
⑧ 온도 안정성이 비교적 좋다.
⑨ 소비전력이 작다.
∴ 정답 : ②, ③, ⑤, ⑦, ⑧, ⑨
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