Verilog RTL 설계(7월 31일 - 1, PWM - 1)

1. Pulse Wave의 Period의 변화에 따른 LED의 변화

• 다양한 주기를 갖는 Pulse wave를 diode에 인가하여 LED의 변화에 대해서 생각해보자.
  
  

< Period = 1sec인 Pulse Wave >

• 아래와 같이 주기가 1sec인 Pulse wave를 diode에 전달하면 0.5초 동안 diode가 꺼졌다가 0.5초 동안 diode가 켜졌다가를 반복할 것이다.
• 이러한 diode의 변화는 사람의 눈을 통해서도 쉽게 변화를 확인할 수 있다.

 

 

< Period = 1msec인 Pulse Wave >

• 이번에 1sec보다 짧은 주기를 갖는 1msec인 Pulse wave를 diode에 전달하면 0.5msec 동안 diode가 꺼졌다가 0.5msec 동안 diode가 켜졌다가를 반복할 것이다.
• 주기가 1초인 Pulse wave를 인가했을 때보다 빠르게 변화하지만, 여전히 사람의 눈을 통해서 쉽게 diode의 변화를 확인할 수 있다.

 

 

 

 

< Period = 1usec인 Pulse Wave >

• 이번에 1msec보다 짧은 주기를 갖는 1usec인 Pulse wave를 diode에 전달하면 0.5usec 동안 diode가 꺼졌다가 0.5usec 동안 diode가 켜졌다가를 반복할 것이다.
• 하지만, 이전에 인가했던 주기가 긴 pulse wave와는 다르게 diode의 깜빡거리는 현상을 확인할 수 없고, 약한 밝기를 갖고, diode가 항상 켜져 있는 모습을 관찰할 수 있을 것이다.

 

 

 

 

 

 

2. 왜 Pulse wave가 짧아지면 diode의 깜빡거리는 현상을 확인할 수 없으며, diode는 약한 밝기를 갖고, 항상 불이 켜져있는 모습을 갖고 있는가?

• 다이오드에는 기생 커패시터 성분을 갖는데, 이를 접합 커패시턴스 또는 확산 커패시턴스 라고 부른다.
• 다이오드내에 있는 커패시터 성분은 다이오드의 동작에 중요한 영향을 끼치게 되는데, 이를 이해하기 위해서 다이오드에 불이 들어오는 과정에 대해서 간략하게 이해할 필요가 있다.
  
  
• diode에 전류가 흐르게 되면 바로 diode에 불이 들어와 diode가 켜졌다고 생각할 수 있지만, 이는 부정확한 표현이다.
• 1단계) diode에 전류가 흐르면 초기에는 diode에 흐르는 대부분의 전류는 커패시터 충전하는 데 사용한다.
             ( 물론, 미약하지만, diode의 anode에서 cathode로 미약한 전류가 흐른다.)
• 2단계) diode의 기생 커패시터가 완충을 하게 되면 커패시터의 충전에 사용하던 전류들이 더 이상 커패시터
             을 충전하지 않고, 대부분의 전류는 diode를 통해 직접적으로 흐르기 시작한다.
  
  
• 따라서 diode의 초기에는 anode에서 cathode로 전류가 흐르기는 하지만, 대부분의 전류는 diode의 기생 커패시터를 충전하기 위해 사용하며, 따라서 초기에는 diode에서 미약한 밝기를 갖고, diode가 켜진다.
  
  
• 이를 이해하고, 다시 다양한 Period를 갖는 Pulse wave를 diode에 인가했을 상황을 다시 생각해보자.

 

 

 

 

3. Period에 따른 diode의 기생 커패시터의 충전 상태 

• Diode내부에 있는 기생 커패시터와 함께 Period의 변화에 따른 충전 상태를 살펴 보자.

 

< Period = 1sec인 Pulse Wave >

• 아래 그림에서 알 수 있듯이 주기가 1초일 경우, 0.5초 동안 Pulse wave가 활성화 되어 있기 때문에 해당 0.5초 동안 기생 커패시터는 다이오드에 흐르는 전류를 통해 충전이 될 것이다.
• 그리고, 기생 커패시터가 수용할 수 있는 저장 용량에 도달하게 되면 다이오드에 흐르는 대부분의 전류는 anode에서 cathode로 diode를 통해 직접적으로 흐를 것이며, 이로 인해 diode는 완전한 밝기를 갖고, 켜져 있는 상태를 가질 것이다.

 

 

 

 

 

< Period = 1usec인 Pulse Wave >

• 하지만, 아래 그림와 같이 Pulse wave의 periode가 짧다면, 커패시터를 충전하는 시간도 그에 따라 짧아 질 것이다.
• 이로 인해 기생 커패시터는 0.5usec 라는 짧은 시간동안 완충을 하지 못해, diode에 흐르는 대부분의 전류는 기생 커패시터 충전하기 위해 사용될 것이다.
• 따라서 대부분의 전류가 기생 커패시터 충전하기 위해 사용하기 때문에 anode에서 cathod로 흐르는 전류의 양은 굉장히 적을 것이며, 이로 인해 diode는 약한 밝기를 갖게 될 것이다.

 

 

 

 

 

 

4. Duty ratio에 따른 기생 커패시터의 충전 상태

• 이번에는 Pulse wave의 특성 중 하나인 Duty ratio에 따른 기생 커패시터의 충전 상태에 대해서 알아보도록 하겠다.

 

< Period = 100usec, Duty ratio = 50인 Pulse Wave >

• Duty ratio = 50인 경우에는 기생 커패시터를 완충하지 못하는 것을 확인할 수 있다.
• 대부분의 전류들이 기생 커패시터를 충전하는 목적으로 사용하기 때문에 diode내에서 anode에서 cathode로 흐르는 전류의 양은 적다.
• 해당 경우에는 diode의 밝기는 최대 밝기의 70 ~ 80% 수준으로 나타날 것으로 짐작할 수 있다.

 

 

 

 

< Period = 100usec, Duty ratio = 85인 Pulse Wave >

• Duty ratio = 85인 경우에는 Pulse wave가 활성화된 기간동안 완충된 것을 확인할 수 있다.
• 대부분의 전류들은 커패시터를 충전하지 않고, diode를 통해 직접적으로 anode에서 cathode로 전류가 흐르게 된다.
• 해당 경우에는 diode의 밝기는 최대 밝기를 가질 것으로 짐작할 수 있다.

 

 

 

 

 

< Period = 100usec, Duty ratio = 15인 Pulse Wave >

• Duty ratio = 15인 경우에는 기생 커패시터를 완충하지 못하는 것을 확인할 수 있다.
• 대부분의 전류들이 기생 커패시터를 충전하는 목적으로 사용하기 때문에 diode내에서 anode에서 cathode로 흐르는 전류의 양은 적다. 
• 또한, duty ratio = 50인 경우 보다 기생 커패시터를 충전하기 위해 더 많은 전류를 사용하기 때문에 anode에서 cathode로 흐르는 전류의 양은 상대적으로 더 적다.
• 따라서 Duty ratio = 15인 경우에는 diode의 밝기는 duty ratio = 50인 경우보다 밝기가 더 약하다.

 

 

 

 

 

5. Pulse wave의 특성에 따른 diode의 밝기.

• Pulse wave의 주파수와 Duty ratio 값에 따른 diode의 밝기 변화는 다음과 같이 정리할 수 있다.

 

1.주파수의 영향:

-  높은 주파수: 인간의 눈이 깜박임을 감지하지 못할 정도로 빠르면(대략 60Hz 이상), LED는 연속적으로 켜져
                           있는 것처럼 보입니다.

-  매우 높은 주파수: 다이오드의 응답 시간 한계에 가까워지면 효율이 떨어질 수 있습니다.

 

2. Duty ratio의 영향:

- 높은 듀티 비: LED가 '켜져 있는' 시간의 비율이 증가하므로 평균 밝기가 증가합니다.

- 100% 듀티 비는 연속적인 DC 전류와 동일합니다.

 

 

3. 밝기와의 관계:

- 밝기 ∝ 평균 전류

- 평균 전류 = 피크 전류 × 듀티 비