전압 기준
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1. 개요
전압 기준은 전류에 관계없이 일정한 전압을 출력하는 소자 또는 전압에 관계없이 일정한 전류를 흘리는 소자의 특성을 이용하여 생성된다. 과거에는 정전압 방전관이 사용되었으며, 현재는 전원 회로, 비교 회로, A/D 컨버터, 발진 회로 등에 사용된다. 전압 기준은 고체 소자, 가스 충전 소자, 전기화학 전지 등 다양한 종류가 있으며, 특히 반도체 다이오드, 제너 다이오드, 밴드갭 전압 기준 등이 널리 사용된다. 정밀 전압 기준은 계측 분야에서 중요한 역할을 하며, 조셉슨 전압 표준과 같은 기술을 통해 높은 정확도를 유지한다.
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2. 기본 동작
기준 전압을 생성하기 위해서는 전류에 관계없이 일정한 전압을 출력하는 소자, 또는 전압에 관계없이 일정한 전류를 흘리는 소자의 특성을 이용한다.
과거에는 글로우 방전을 사용한 정전압 방전관이 사용되었다.
기준 전압 회로에서 생성된 기준 전압은 전원 회로, 비교 회로, A/D 컨버터, 발진 회로 등에 분배된다. 이들은 일정한 정밀도를 만족하도록 동작해야 하는 경우가 많기 때문에, 기준 전압은 제조 편차에 의한 영향이 적은 것이 바람직하다.
이 때문에, 제조 편차에 대해서도 기준 전압의 사양을 만족하도록, 종종 제조 후에 레이저 트리밍 등의 조정이 이루어진다.
많은 기준 전압 회로는 온도에 관계없이 일정한 전압을 출력하도록 요구된다. 이 특성은, 양의 온도 계수를 갖는 소자 특성과 음의 온도 계수를 갖는 소자 특성을 조합함으로써 실현하고 있다.
3. 전압 기준의 종류
3. 1. 고체 소자 (Solid-state devices)
반도체 다이오드는 지수적인 전류-전압 특성을 가지며, 때로는 부정확한 전압 기준으로 사용되는 "무릎" 전압을 갖는다. 데이터 시트에는 지정된 "온" 전류에서 순방향 전압 강하가 나열될 수 있다. 이 전압은 게르마늄 다이오드의 경우 약 0.3 V, 실리콘 다이오드의 경우 약 0.6 V에서 0.7 V 사이이며, 가시광선 발광 다이오드의 경우 1.6 V(빨강)에서 4 V(보라)까지이다. 이러한 소자는 강한 온도 의존성을 가지므로 온도 측정 또는 아날로그 회로의 바이어스 보상에 유용할 수 있다.
제너 다이오드는 적당한 안정성과 정확성을 갖는 기준 전압을 제공하기 위해 자주 사용되며, 많은 전자 장치에 유용하다. 애벌런치 다이오드는 다양한 전류 범위에서 유사한 안정된 전압을 나타낸다. 이러한 유형의 가장 안정적인 다이오드는 순방향 다이오드와 직렬로 연결하여 제너 다이오드의 온도를 보상함으로써 만들어진다. 이러한 다이오드는 2단자 소자, 예를 들어 7.5 mA에서 전체 전압 강하가 6.2 V인 1N821 시리즈로 만들어지지만, 때로는 집적 회로에도 포함된다.
집적 회로에서 사용되는 가장 일반적인 전압 기준 회로는 밴드갭 전압 기준이다. 밴드갭 기반 기준(일반적으로 '밴드갭'이라고 함)은 서로 다른 전류 밀도에서 바이어스된 두 개의 바이폴라 접합부 간의 전압 차이의 배수를 다이오드를 가로지르는 전압에 추가하기 위해 아날로그 회로를 사용한다. 다이오드 전압은 음의 온도 계수(즉, 온도가 증가함에 따라 감소)를 가지며, 접합부 전압 차이는 양의 온도 계수를 가진다. 이러한 계수가 상쇄되도록 필요한 비율로 추가하면, 결과적인 상수 값은 반도체의 밴드갭 전압과 동일한 전압이 된다. 실리콘의 경우, 이는 대략 1.25 V이다. 매립 제너 기준은 훨씬 낮은 노이즈 레벨을 제공할 수 있지만, 많은 배터리 구동 장치에서 사용할 수 없는 더 높은 작동 전압이 필요하다.
ED형 기준 전압 회로는 MOS 트랜지스터로 구성된다. 회로 규모는 작지만 온도 의존성은 밴드갭 레퍼런스보다 떨어진다.
3. 2. 가스 충전 소자 (Gas filled devices)
가스 충전관과 네온 램프는 전압 기준으로 사용되었으며, 주로 진공관 기반 장비에서 사용되었다. 가스 방전을 유지하는 데 필요한 전압이 비교적 일정하기 때문이다. 예를 들어, RCA 991[2] "전압 조정관"은 87 볼트에서 점화된 다음 방전 경로에서 48–67 볼트를 유지하는 NE-16 네온 램프이다.
3. 3. 전기화학 전지 (과거)
가장 초기의 전압 기준 또는 표준은 클라크 전지와 웨스턴 전지와 같은 습식 화학 전지였으며, 이는 여전히 일부 실험실 및 교정 응용 분야에서 사용된다.[1] 과거에는 수은 전지가 편리한 전압 기준으로 널리 사용되었으며, 특히 사진 노출계와 같은 휴대용 기기에 사용되었다.[1] 수은 전지는 수명이 다하는 동안 매우 안정적인 방전 전압을 가졌다.[1]
4. 정밀 전압 기준
계측에 사용되는 실험실 등급의 제너 다이오드 2차 고체 전압 표준은 연간 약 1ppm(백만 분의 1)의 드리프트를 가질 수 있다.[1] "관용" 볼트의 값은 조셉슨 효과를 사용하여 1ppb(10억 분의 1) 이상의 정확도로 전압을 얻는 초전도 집적 회로를 통해 유지된다. 이를 조셉슨 전압 표준이라고 한다. "초전도 터널링의 가능한 새로운 효과"라는 제목의 논문은 1962년 브라이언 데이비드 조셉슨에 의해 발표되었으며, 조셉슨은 1973년 노벨 물리학상을 수상했다.
5. 한국의 전압 기준 연구 개발 동향
참조
[1]
서적
Handbook of Metrology
Wiley-VCH
2010
[2]
간행물
RCA 991 Voltage Regulator tube data sheet
http://www.mif.pg.gd[...]
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