비교기의 간단한 이론과 실전 (with. LM339)

 

비교기. 이름이 참 단순하죠? 뭔가를 비교하는거 같아요.
 
맞습니다. 전압을 비교를 해요. 보시다시피 op앰프처럼 생긴 기호를 가지고 있습니다. 실제로 둘의 내부 구조가 많이 닮았기 때문이지요. 심벌에서 보다시피 비교기에는 +단과 -단이 있는데 여기에서...
+단 전위가 -보다 높다.: 비교기가 1(VCC)을 출력합니다.
-단 전위가 +보다 높다.: 비교기가 0(GND)을 출력합니다.
(물론 몇몇 비교기는 로직반전이 있지만 일반적으로는 이렇습니다.)
(두개의 입력이 같다는 생각하지 않습니다. 순수 아날로그에서 완전히 같다는 없어요.)
 
생각보다 컨셉도 단순하죠? 그냥 +단이 -단보다 높은 전위를 가지면 1을 내보내자는 거에요.

끝 (정말 끝. 이론은 이게 다에요. 실전에서 맨날 골때려서 그렇지.)

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실전 LM339 사용해보기

오늘 사용할 IC는 LM339입니다.

보시다시피 비교기가 하나의 IC안에 비교기 4개가 들어있는 형태이지요. 덕분에 비교기를 4개이상 사용한다면 단일 비교기 IC를 쓰는것 보다 배선이나 가격면에서 우위이고, 파워라인을 4개가 공유하기에 이용이 간단해지지만 이게 아니면 대부분 단일 비교기가 유리하기는 합니다. 다만 실전에서 비교기가 들어가는 회로라면 어지간하면 1,2개 이상은 쓸 거여서 LM339라는 선택지도 그리 나쁘지는 않아요.
(TIP: 비단 LM339말고 하나의 IC패키지 안에 여러개의 동작가능한 장치가 있는 경우가 꽤 있어요. 이전에 다룬 74HC04의 경우도 NOT게이트가 6개이고, 후에 다룰 CD4027도 JK플립플롭이 2개 들어있습니다. 즉 무언가를 만드실거면, 사전 계획을 철저하게 세우시는게 엔지니어의 마음가짐 입니다.)
 
그중에서 오늘 저희는 4번비교기를 사용할 거에요? 굳이 4번을 쓰는 이유요? 별거 없습니다. 그냥 배선이 4번이 제일 편해서요. 배선만 적절히 해서 같은 조건을 LM339의 다른 비교기에 넣어도 어차피 똑같은 결과가 나옵니다. 참고로 정말 찐 실전에서는 안쓰는 비교기를 풀다운 저항을 사용하여 GND에 묶어두는게 적절하긴 하지만, 오늘은 비교기 동작을 보기 위함이니까 생략하고 넘어가겠습니다. 
 

회로구성

회로를 다음과 같이 구성하였습니다.

 
이때 저희가 우선 주목해야 할 것이 오른쪽 회로입니다. 왼쪽 회로에서 비교기의 입력단에 들어가는 라인만 따온 것입니다. 이때 오른쪽회로에서의 화살표가 비교기에 입력되는 전압입니다. 우선 -단에 들어가는 첫번째라인, 그리고 SPDT스위치가 3번에 붙으면 10kΩ과 연결되는 두번째라인, 1번에 붙으면 100kΩ과 연결되는 세번째라인 총 3개의 라인을 표현한 것이지요. 이것들은 전압분배법칙으로 빠르게 계산할 수 있습니다.
그러면 케이스를 나눠봅시다. SPDT스위치가...
3번에 연결됨: +단에는 2.5V, -단에는 0.65V가 걸립니다. +단 전압이 더 크기에 LED가 켜집니다.
1번에 연결됨: +단에는 0.45V, -단에는 0.65V가 걸립니다. -단 전압이 더 크기에 LED가 켜지지 않습니다.
 
그래서 직접 해보았습니다.

 
어라? 불이 안켜집니다. 왜 그러지....?
 
√ 조건 확인
√  배선 확인
√ 전압 확인
√  칩 상태 확인
√  심지어 멀티미터로 전체 회로를 해석
다 체크해봤는데 제가 아는 선에서는 답이 안나옵니다.
이대로 안돼서 실제로 저도 만들다가 포기하려고 했는데
...
답이 없으면 뭘해라? → 데이터시트를 봐라!

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LM339와 풀업저항

사실 눈치가 빠른 분들은 이상하긴 했을거에요. 왜 LED에 직렬저항을 추가했지? 출력에서 5V가 나오는건가? 꼭 5V가 아닐수도 있는데??
 
데이터시트를 보겠습니다.
https://www.alldatasheet.com/view.jsp?Searchword=LM339 (어쩐지 맨 처음에 링크를 안걸어놨더라...)

LM339 Datasheet, PDF

사실 이건 난이도가 높았습니다. 직접적으로 왜 그런지를 알려주지는 않았어요. 하지만 원리는 이전에 저희가 배운것과 적절한 그림으로 알 '수'는 있었습니다.

 
자세히 보면 여기 내부구조에는 풀업-풀다운 저항이 존재하지 않는데, LM339를 연결시킨 회로에서는 풀업저항을 표기해놓았습니다. 즉, 이것도 일종의 트랜지스터의 출력이기 때문에, Floating이 일어나서 빛이 들어오지 않았던 것입니다. BJT의 오픈상태가 우리가 전에 다룬 적 있는 MOSFET의 Floating상태 입니다. https://x0fansa-hk.tistory.com/32

8bit CPU 사전준비) 풀업 & 풀다운

 
우리는 출력단에 풀업 저항을 둘 것이고, 이를 포함한 진짜 회로도는 다음과 같습니다.

이때는 이제 정상적으로 불이 켜짐을 볼 수 있습니다.

이미지가 잘 안보이는데 spdt가 오른쪽으로 가있을 때 10kΩ과 연결된 상태입니다.

 
결론: 오늘도 여전히 예상치 못한 이벤트가 있었습니다. 그렇기에 엔지니어에게는, 직접 해보는 경험의 힘은 중요하다고 생각합니다. 이 글을 보는 여러분들중 누군가 한분이라도 꼭 직접 해보시길...🙏 (이거 다 합해도 1000원도 안되요. C타입 충전기가 더 비쌈)
 

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생각해볼만한 점

I) 제가 왜 2.5V, 0.45V 같이 비교적 낮은 전압을 비교기에 넣었을까요? 4.0V, 4.6V를 비교기에 넣으면 어떨까요?
II) 0.114V와 0.115V 같은 매우 작은 전압차이도 비교기가 판정할 수 있을까요?
III) 오늘 사용한 LM339는 BJT기반의 회로입니다.(TTL은 아님. 이건 아날로그 IC니까요.) 그런데 아까보듯 VCC을 넓게 공급할 수 있습니다. 보통의 BJT기반 TTL소자는 안되는데 이건 어떻게 가능할까요?
힌트: 데이터시트를 봐라. 두번 봐라.

첨부파일

 

비교기 짤. 제가 만든거에요. 저작권 없음. 배포 환영환영 대환영

비교기짤.mp4

2.38MB

 

회로도

cmp.zip

0.10MB