B2 · 다이오드

클리핑과 클램핑: 다이오드로 파형을 빚다

한방향 밸브 하나로 신호의 모양을 바꾼다. 봉우리를 잘라 내는 클리핑부터 직접 조절해 보고, 같은 다이오드가 기준선을 옮기는 클램핑으로 이어 본다.

문턱을 내려 봉우리를 잘라 보라

옅은 곡선은 입력이고 굵은 곡선은 출력이다. 다이오드의 문턱을 내려 보라. 문턱을 넘는 부분이 잘려 나가 봉우리가 평평해진다.

클리핑 문턱 VclipVclip = 0.95

출력 봉우리

Vout = Vin

문턱이 봉우리보다 높다. 다이오드가 한 번도 켜지지 않아 출력이 입력 그대로다.

자르지 않음

나란히 건 다이오드가 봉우리를 붙잡는다

신호와 나란히 다이오드를 걸고 그 반대편을 기준 전압에 묶어 둔다. 입력이 그 기준에 다이오드 문턱을 더한 값을 넘으면 다이오드가 켜져 큰 전류를 흘리고, 출력 전압을 그 값에 붙들어 둔다. 그 위로는 아무리 입력이 솟아도 출력이 따라가지 못해 잘려 나간다. 이것이 클리핑이다.

직렬 커패시터를 더하면 클램핑

이번에는 다이오드를 신호와 직렬로 두고 커패시터를 함께 쓴다. 첫 봉우리에서 다이오드가 켜지며 커패시터가 봉우리만큼 충전되고, 다이오드가 꺼진 뒤에는 그 전하를 가둔 채 일정한 직류 전압을 신호에 더한다. 그래서 파형의 모양은 그대로지만 전체가 위나 아래로 통째로 옮겨 간다. 자르지 않고 기준선만 바꾸는 것이 클램핑이다.

옅은 곡선이 입력, 굵은 곡선이 클램핑된 출력이다. 모양은 같고 기준선만 올라갔다.

같은 밸브, 두 쓰임

클리핑도 클램핑도 결국 다이오드가 문턱에서 전압을 붙잡는 같은 동작이다. 신호와 나란히(병렬) 두면 그 위를 잘라 한계를 정하고, 직렬 커패시터와 함께 두면 한 번 붙잡은 전압을 직류로 더해 기준선을 옮긴다. 무엇을 자르거나 옮길지는 기준 전압과 다이오드 방향이 정한다.

관찰Vout = min(Vin, Vclip)

이상적 클리퍼는 출력을 문턱에서 자른다.

고르기Vclip = Vref + ?

실제 문턱은 기준 전압에 다이오드 강하를 더한 값이다.

빈칸Vout = Vin + ?

클램핑은 입력에 일정한 직류를 더한다.

스스로Vdc ≈ ?

더해지는 직류는 커패시터가 충전된 봉우리 값이다.

첫 화면으로 돌아가서

문턱을 내릴수록 봉우리가 점점 잘려 출력 위쪽이 평평해졌다. 그 평평한 선은 다이오드가 켜져 출력을 한 값에 붙들어 둔 흔적이다. 직렬 커패시터를 더하면 같은 붙잡음이 파형을 자르는 대신 통째로 들어 올린다. 결국 클리핑과 클램핑은 한 가지, 다이오드가 문턱에서 전압을 고정한다는 사실의 두 얼굴이다. B1의 한방향 밸브가 이렇게 신호를 빚는 연장이 된다.

클리핑은 신호와 나란히 건 다이오드로 문턱을 넘는 부분을 잘라 내 한계를 정한다(Vout = min(Vin, Vclip)). 클램핑은 다이오드와 직렬 커패시터로 파형 모양은 그대로 둔 채 일정한 직류를 더해 기준선을 옮긴다(Vout = Vin + Vdc). 둘 다 한방향 밸브가 문턱에서 전압을 고정하는 같은 원리의 두 쓰임이다.

이어지는 흐름

지금까지 다이오드는 순방향에서 일했다. 다음 유닛에서는 일부러 역방향으로 깊이 밀어, 어느 전압에서 갑자기 무너지듯 전류를 흘리며 그 전압을 단단히 붙잡는 제너 다이오드를 만난다. 클램핑이 기준선을 옮겼다면, 제너는 출력 전압 자체를 일정하게 고정하는 정전압의 도구다.