'김대리들을 위한 하드웨어 기술공유'에 해당되는 글 87건
- 2012.03.27 BJT의 동작원리와 특징 및 활용 - ②
- 2012.03.20 BJT의 동작원리와 특징 및 활용 - ① 2
- 2012.03.14 Apple TV H/W의 분석 - 2nd GENERATION
Transistor는 크게 BJT와 FET로 나눌 수 있다.
하지만 우리가 업무중에 'transistor'라고 하면 거의 BJT를 지칭하며 'FET'라고 하면 MOSFET이나
JFET등을 지칭한다.
이전 포스트에선 BJT를 한 개 선정하여 특성을 살펴보았고 이번 포스트에선 선정된 BJT로 어떻게 회로를
설계해야 하는지 알아볼 것이다.
그리고 다음 포스트에선 2N3904로 설계된 회로에서 부품값을 선정하여 마무리하고 분석 해 볼 것이다.
☞ BJT의 동작원리와 특징 및 활용 - ①
☞ BJT의 동작원리와 특징 및 활용 - ③
참고로 MOSFET에 대한 내용은 이전 포스트를 참고하자.
☞ MOSFET의 동작원리와 특징 및 활용 - ①
☞ MOSFET의 동작원리와 특징 및 활용 - ②
1. BJT 증폭 회로의 구성
전자 회로에서 BJT를 사용하는 목적은 전압이든 전류든 증폭을 하기 위해서다.
BJT를 이용한 증폭회로는 어떤 종류들이 있는지 알아보자.
1.1 common-emitter 증폭회로
① emitter 단자의 역할 : common (GND나 POWER에 연결된다는 의미)
② base 단자의 역할 : 입력
③ collector 단자의 역할 : 출력
④ gain : 중간 정도의 voltage gain, current gain
⑤ 임피던스 : 중간 정도의 입력 임피던스, 출력 임피던스
⑥ 회로의 활용 : voltage amp, 무선 수신기
⑦ 특징 : gain이 온도와 bias 전류에 민감
1.2 common-base 증폭회로
① emitter 단자의 역할 : 입력
② base 단자의 역할 : common (GND나 POWER에 연결된다는 의미)
③ collector 단자의 역할 : 출력
④ gain : 높은 voltage gain, 낮은 current gain
⑤ 임피던스 : 낮은 입력 임피던스, 높은 출력 임피던스
⑥ 회로의 활용 : VHF, UHF같은 고주파 증폭용, current buffer, voltage amp
⑦ 특징 : 입력과 출력 사이의 높은 isolation, 낮은 입력 임피던스
1.3 common-collector 증폭회로
① emitter 단자의 역할 : 출력
② base 단자의 역할 : 입력
③ collector 단자의 역할 : common (GND나 POWER에 연결된다는 의미)
④ gain : 낮은 voltage gain, 높은 current gain
⑤ 임피던스 : 높은 입력 임피던스, 낮은 출력 임피던스
⑥ 회로의 활용 : voltage buffer
⑦ 특징 : 전류 이득
2. 실제 회로의 설계
2.1 프로젝트의 개요
- 마이크의 음성 신호를 스피커로 출력
- 마이크의 음성 신호는 10mVpk-pk
위와 같은 조건의 프로젝트가 생겨서 회로를 설계해야 한다고 가정할 때 다음과 같은 제약사항이
생긴다.
- 마이크의 음성 신호는 진폭이 매우 낮아서 스피커를 통하여 들리지 않음
그러므로 선정된 BJT인 2N3904를 이용하여 마이크의 신호를 증폭하는 회로를 설계하기로 하자.
2.2 회로 설계
common-emitter회로는 온도와 bias전류에 따라 전류 증폭률(β)이 변동하기 때문에 실제 gain이
안정하지 못한 단점이 있다.
그래서 회로를 설계할 땐 다음과 같이 negative feedback을 이용한 emitter degeneration회로를
사용하게 된다.
common-emitter회로와 emitter degeneration회로를 비교 해 보면 emitter단자에 Re가 있음이 보인다.
emitter degeneration회로를 선택하여 프로젝트에서 요구되는 회로도를 그려보자.
위와같이 회로를 설계하였다.
설계된 회로의 부품들과 배선이 어떤 의도로 작성된 것인지 알기 위해서 신호의 흐름을 간략하게
분석 해 보자.
- Vin으로 마이크의 신호가 입력된다.
- 마이크의 신호가 어떤 DC전압을 포함하고 있을지 모르기 때문에 C1으로 DC coupling을
한 후 2N3904의 base 단자로 입력시킨다.
그래야 2N3904의 datasheet에서 보았듯이 VEBO의 최대치인 6V를 넘지 않도록 할 수 있다.
- R1과 R2로 2N3904를 bias한다.
- 12V에서 Rc에 걸리는 전압을 빼면 Vc값이 나오는데 이 Vc가 '증폭된' 마이크 신호로서 Vout으로
출력되어 스피커로 전달되게 된다.
마이크의 신호가 10mVpk-pk정도라고 했으므로 100배정도 증폭되면 진폭이 1Vpk-pk인 마이크 신호를
얻게 되므로 작은 스피커나 이어폰으로 출력할 수도 있고 추가로 증폭이 필요할 때를 위한
pre amp로도 적당할듯 싶다.
다시 한 번 요구조건과 제반사항을 점검해 보도록하자.
- 마이크 신호는 10mVpk-pk
- 스피커 구동을 위해 마이크 신호의 100배 증폭이 요구됨
- VCEO는 40V를 넘지 않아야 함
- VEBO는 6V를 넘지 않아야 함
이로써 2N3904로 어떻게 회로를 설계해야 하는지 알아보았다.
포스트 내용이 생각보다 너무 길어져서 위의 설계에 대한 부품들의 선정과 이해는 다음 포스트에서
진행토록 하겠다.
'[HARDWARE] > DEVICES' 카테고리의 다른 글
| BJT의 동작원리와 특징 및 활용 - ③ (6) | 2012.03.29 |
|---|---|
| BJT의 동작원리와 특징 및 활용 - ① (2) | 2012.03.20 |
| MOSFET의 동작원리와 특징 및 활용 - ② (8) | 2011.10.13 |
| MOSFET의 동작원리와 특징 및 활용 - ① (0) | 2011.10.12 |
Transistor는 크게 BJT와 FET로 나눌 수 있다.
하지만 우리가 업무중에 'transistor'라고 하면 거의 BJT를 지칭하며 'FET'라고 하면 MOSFET이나
JFET등을 지칭한다.
이번 포스트에선 BJT를 한 개 선정하여 특성을 살펴보고 다음 포스트에선 선정된 BJT로 어떻게 회로를
설계해야 하는지 알아볼 것이다.
참고로 MOSFET에 대한 내용은 이전 포스트를 참고하자.
☞ MOSFET의 동작원리와 특징 및 활용 - ①
1.TRANSISTOR의 종류
TRANSISTOR의 가계도를 보기 좋게 도식으로 표현 해 보면 다음과 같다.
진행할 것이다.
2. 2N3904의 개요
본 포스트의 진행을 위해 선정한 BJT는 FAIRCHILD社의 General purpose NPN BJT인 2N3904이다.
2N3904에 대해 알아보자.
다르게 붙어있다.
SOT-23 packag인 MMBT3904의 경우엔 매우 작기 때문에 부품에 MMBT3904라고 쓸 자리가 없어서
'1A'라고 marking을 했다고도 나와있다.
같은 부품을 여러 package로 출시하는 이유는 부품의 크기와 소비 전력을 차별화 하기 위함이다.
아래 표에서 볼 수 있듯이 덩치가 가장 큰 SOT-223 package인 PZT3904의 경우 소비전력이 가장 높음을
알 수 있다.
3. 2N3904의 특성
2N3904의 datasheet를 살펴보자.
이 부품이 어떤 특성을 가지고 있는지 파악해서 설계시 참고하기 위함이다.
3.1 ABSOLUTE MAXIMUM RATINGS
VEBO는 6V까지므로 TTL level이상으로 bias하는것은 위험하다.
3.2 ON CHARACTERISTICS
2N3904가 ON이 되는지를 나타낸 것이다.
위의 표에서 보듯이 VBE가 최소 0.65V가 입력되어야 2N3904가 ON이 됨을 알 수 있다.
맨 위의 hFE는 collector의 전류와 base의 전류 비로서 전류 증폭률(β)이라고 한다.
전류 증폭률(β) = IC/IB 이며 IB에 흐르는 전류에 비해서 얼마나 증폭된 전류가 IC에 흐르는가를
의미한다.
위의 표에서 IC=10mA, VCE=1.0V 일 때 hFE는 최대 300 이라고 되어 있는데 이 의미는
Base에 33uA를 넣어주면 collector에서 emitter로 IB의 300배인 10mA가 흐른다는 의미이다.
hFE와 관련하여 2N3904의 typical characteristics를 살펴보면 위의 표와 VCE조건이 다르긴 하지만
즉 조건만 잘 맞추면 2N3904는 전류 증폭률을 몇 십에서 250 또는 300까지 만들수 있다는 뜻이된다.
이로써 BJT의 특성에 대한 검토를 마치며 다음 포스트에선 BJT를 이용하여 회로를 어떻게 설계 할
것인가에 대해 살펴보기로 한다.
'[HARDWARE] > DEVICES' 카테고리의 다른 글
| BJT의 동작원리와 특징 및 활용 - ③ (6) | 2012.03.29 |
|---|---|
| BJT의 동작원리와 특징 및 활용 - ② (0) | 2012.03.27 |
| MOSFET의 동작원리와 특징 및 활용 - ② (8) | 2011.10.13 |
| MOSFET의 동작원리와 특징 및 활용 - ① (0) | 2011.10.12 |
필자가 Apple TV나 Google TV의 hardware를 분석 하고자 하는 이유는 제품을 몇 백만대 몇 천만대씩 파는
그런 거대 제조사들의 기술을 참고하고 배워서 공유하고자 함이다.
Apple TV 2nd Generation에 대한 분해는 이전 포스트를 참고하고 본 포스트에선 hardware 관점에서 좀 더
세밀하게 살펴보고자 한다.
☞ Apple TV의 분해 - 2nd GENERATION
[IR SENSOR]
Apple TV 2nd의 기구물을 보면 IR sensor를 주변으로부터 차폐하고자 했음을 알 수 있다.
노란색 부분은 현재 사진을 기준으로 바닥 방향으로 움푹 파져있는 형태이며 주변은 chassis로 둘러 쌓여
있다.
아래는 노락색 부분을 확대한 사진이다.
움푹 들어간 이 부분에 아래 사진의 IR sensor가 들어가서 위치하게 된다.
Apple TV 2nd는 IR sensor에 입력되는 신호를 주변의 LCD TV나 보드 내부의 간섭으로 부터 차폐하기 위해
위와 같이 구성한 것으로 판단되지만 수광각이 제한되지 않을까 생각된다.
실제로 IR sensor의 감도와 거리, 수광각을 확인해 보진 않았으나 기기의 바로 앞에서 리모콘을
좌,우 각도로 돌려가며 눌러본 결과 넉넉히 동작하였다.
[수동 소자의 크기]
위의 사진은 A4 CPU의 주변 모습이다.
Apple TV 2nd는 1005 package보다 작은 size인 0603 package부터 다양한 package까지 사용하고 있다.
(1005는 mm단위이며 mil단위로는 0402 이고 0603은 mil단위로 0201 이다)
붉은색 부분은 0603 package들이며 노란색 부분은 1005 package들이고 주변의 조금 큰 부품들이
1608 package들이다.
다음의 사진을 보면 조금 큰 부품들도 사용되었다.
부품의 크기를 느낄 수 있도록 mm단위의 철재 자를 사용하였으니 붙어있는 콘덴서들의 크기를 가늠할 수
있을 것이다.
Apple은 제품의 크기를 소형화 하기 위해 매우 작은 부품들을 사용했지만 일부 부분은 회로 설계상
어쩔 수 없이 큰 부품들이 사용하였음을 알 수 있다.
[TP와 VIA HOLE]
Apple TV 2nd의 PCB에 하얀색 점들이 매우 많이 도포되어 있다.
연두색으로 표시된 부분에서 확인할 수 있는데 이 하얀색 점들은 아무리 봐도 Test Point로뿐이 안
보인다.
Apple은 TP를 왜 이렇게 많이 넣어놨을까?
초기 설계에 들어있던 TP들을 귀찮아서 삭제하지 않은 것인지 AS나 field불량에 대한 검토를 분석하기
위함인지 알 수 없다.
Apple TV 2nd의 PCB는 두께가 1.2mm로 측정되었고 우리 회사의 PCB담당자 의견으론 6층으로 보인다고
한다.
갈색 부분을 보면 via가 보이는데 PCB의 전체 layer에 drill되는것이 아니라 필요한 layer에만 drill작업이
이루어지는 내층 via를 사용했다. PCB담당자의 말로는 build up이라고 불린다고 한다.
이런 내층 via를 사용하면 PCB가격이 많이 올라가겠지만 PCB사이즈가 작아지고 해킹의 염려도
줄어들겠다.
[USB의 전류 용량]
Apple TV 2nd의 USB콘넥터 뒷 부분에 초록색의 부품이 있다.
Poly switch라는 부품인데 전원의 short를 방지해 준다.
USB는 전류를 공급할 수 있는 인터페이스인데 만일 불량인 USB memory 장치가 삽입되거나 하면
메인 보드가 파손될 수 있기 때문에 fuse처럼 전류를 차단해 주는 부품이 사용된다.
Fuse는 과전류가 흐르면서 끊어지는 부품인데 비해 poly switch는 과전류가 사라지면 정상 상태로
recovery되는 특성의 부품이다.
노란색 부분에 있는 poly switch에 '50'이라고 marking되어 있는것으로 봐선 USB쪽으로 500mA 까지
공급 가능한 것으로 보인다.
USB HDD등 500mA이상의 장치들은 전원을 공급하기엔 무리가 있을 것이기 때문에 별도의 전원을
사용하는 장치를 사용해야만 할 것이다.
[Wi-Fi 패턴]
이전의 포스트에서 봤듯이 Apple TV 2nd는 Panasonic의 Wi-Fi/Bluetooth/FM module을 내장하고 있다.
분홍색 thermal pad 아래에 module이 있고 노란색 부분이 PCB pattern으로 구성한 pattern 안테나
부분이다.
안테나와 module은 붉은색 부분에서 확인할 수 있듯이 곡선의 RF pattern으로 연결되어 있다.
[HDMI & LAN]
위 사진의 좌측은 LAN이고 우측은 USB와 HDMI 포트의 bottom 부분이다.
아래의 사진은 해당 포트들의 top 부분이다.
특이한 점은 HDMI나 USB같은 high speed pattern들이 top이나 bottom layer에서 routing되지 않았다는
것이다.
아래의 HDMI쪽 top layer부분 확대 사진을 봐도 routing이 보이지 않는다.
보통 high speed의 pattern들은 top에 routing할 것이 제안되며 차선책으로 bottom에 routing되는것이
일반적인데 Apple TV 2nd는 해당 패턴들을 inner layer로 routing하였음이 확인 되었다.
이렇게 해서 Apple TV 2nd의 IR sensor, 수동 소자들의 package, via hole, USB 전류 용량, Wi-Fi의
RF pattern, High speed pattern들에 대해 살펴 보았다.
'[HARDWARE] > 기타' 카테고리의 다른 글
| Apple TV의 분해 - 1st GENERATION (0) | 2012.02.27 |
|---|---|
| Apple TV의 분해 - 2nd GENERATION (0) | 2012.02.27 |
| Google TV의 분해 - LOGITECH (0) | 2012.02.24 |
| Google TV의 분해 - SONY (0) | 2012.02.24 |
