풀업 저항, 풀다운 저항 (Pull-up, Pull-down)

by Blogger 하얀쿠아
2016. 12. 16. 00:28 하드웨어 Note/Basis Circuit

풀업 저항, 풀다운 저항 (Pull-up, Pull-down) - 입력단 회로

MCU나 임베디드 시스템을 구성할 때, 입력부분을 설계해야 하는 경우가 있다. 여기서 입력 부분이라 하면, 버튼이나 스위치 같은 물리적인 입력이 발생하는 부분을 말한다. 이때, 풀업 (Pull-up) 저항을 달거나 풀다운(Pull-down) 저항을 달게 된다.


왜 그런지 이유를 알아보자. 이 저항이 무슨 목적을 가지고 있는지를 이해하면 된다.

그리고 더 나아가, 이 저항을 얼마짜리를 달아야 하는지, 저항값 계산 방법을 알아보자.





플로팅 상태

풀업 / 풀다운이 왜 필요한지를 이해하려면 먼저 플로팅(Floating) 상태라는 것을 알면 쉽다.

플로팅은 '떠있다, 부유하는, 유동적인' 등의 뜻이다. 

디지털회로에서 플로팅 상태 라고하면, '알수없는 상태' 라고 이해하면 된다.


좀더 쉽게 설명해보자. 아두이노, AVR Atmega, Cortex-M3, 라즈베리파이 등등... MCU좀 다뤄봤다 싶은 분이라면 GPIO 핀을 떠올려 보자.

정상적인 상황이라면 어떤 GPIO핀을 딱 잡고, '너 무슨상태야?' 했을 때, '0(Low)이야' 아니면 '1(High) 이야'이라고 대답해야 한다.


그런데, '나... 잘 모르겠는데?' 라고 대답하는 녀석. 이녀석이 바로 플로팅 상태이다.

어리버리한 녀석.


왜 이런 녀석이 등장하느냐? 

전원 5V를 인가하는 MCU를 가정해보자.

0V~0.8V 쯤은 Low로 하고, 2.8V~5V 쯤은 High로 하는 MCU라고 가정해보자.

그러면 0.8V 초과 ~ 2.8V 미만의 애매한 전압이 핀에 들어가면? 이 MCU는 그 핀을 플로팅 상태라고 인식하게 될 것이다.


입력단에 풀업 저항이나, 풀다운 저항을 두지 않는다면, 이런 플로팅 상태를 겪게 될지도 모른다.


그리고 들어가기에 앞서 일단 기억할 것이 있다. 

왜 이렇게 기억할게 많냐? 라고 생각하지 말고 기억하자. 피가되고 살이된다. 몸매관리때문에 살찌기 싫으면 까먹던지.


1. 지금 설명하는 풀업 저항, 풀다운 저항은 모두 입력단 회로에 대한 것이다.

2. 입력 스위치가 OFF 일 때, 플로되는 걸 막는게 목적이다.

3. 이름에서 풍기는 스멜을 느끼자.

4. 풀업은 '스위치가 OFF일때 플로팅에 빠져 허우적 거리는 어리버리한 녀석을 High 상태로 끌어올리는(Pull-up) 저항이다.

5. 반대로, 풀다운은 '스위치가 OFF일때 플로팅에 빠져 허우적 거리는 어리버리한 녀석을 Low 상태로 끌어내리는(Pull-down) 저항이다.


오케이. 시작하자.


1. 풀업(pull-up) 저항

논리적으로 H-레벨 상태를 유지하기 위해 신호의 입력/출력 단자와 전원(Vcc) 단자 사이에 접속하는 저항


 Switch

 ON

 OFF

 (a) 그림

 0V (Low)

 Floating 

 (b) 그림

 0V (Low) 

 +5V (High) 



그림1의 Logic은 입력을 low로 만들어놓은 그림이다. 

여기서(a)와 (b)의 차이가 바로 풀업 저항의 의미가 된다.


일단, (a) 그림을 보자.

스위치가 ON되면 전원으로부터 접지라인까지 바로 연결이 되니까 이 Logic은 Low가 인가가 된다.

그런데 스위치가 OFF 될 경우는 어떠한가? 입력 상태가 어떤 상태인지 알 수가 없다. 

당장은 High로 보일 수 있지만, 정전기라던지, 전압에 순간적인 변화가 생기면 Low로 바뀔 수도 있는 애매한 상황이다. 이런 경우를 floating 되어있다고 한다. 

floating 상태에서는 입력 레벨이 어떤지 알 수 없기 때문에(즉, Low일수도 있고 High일수도 있고 왔다갔다 할수도 있고...) Logic Device가 동작하는데 문제가 생길 수 있다.

왜냐하면 알 수 없는 입력이 들어왔기 때문에 알 수 없는 결과값이 나오게 되기 때문이다.

이런 floating 되어 있는 입력 상태를 없애주고자 고안된 것이 바로 풀업 저항(Pull-up)이다.

풀업 저항의 주 목적은 바로 스위치가 OFF 될 때가 된다. 


이 풀업 저항을 이해하려면 (b) 그림을 유심히 살펴보자.


(b)그림을 보면 (a)그림과는 다르게 풀업 저항을 통해서 디지털 회로가 전원 +5V로 연결이 되어 있기 때문에 스위치가 OFF되더라도 입력값의 혼동이 없다. 즉, 스위치가 OFF되면 High 상태가 된다. 이른바 알려진 입력 상태가 되는 것이다.

스위치가 ON되면 Low 상태가 된다. 버튼이 GND와 연결되어 있어서, 전원으로부터 전류가 디지털 회로로 가지않고 모두 버튼쪽으로 흘러가게 되기 때문이다.


그리고 풀업 저항이 없으면 스위칭 시 과도한 전류가 흐를 개연성이 많기 때문에, 디바이스의 회로에 안 좋은 영향을 끼칠 수가 있다. 

이런 문제도 풀업(또는 풀다운)저항으로 해결할 수가 있다.




2. 풀다운(pull-down) 저항

스위치가 OFF될 때, 논리적으로 Low레벨 상태를 유지하기 위해 신호의 입력/출력 단자와 접지 단자 사이에 접속하는 저항

풀 다운은 풀업과는 반대로 연결되어 있다.

즉, 스위치와 저항의 위치가 풀업과는 다르게 바뀌어 있다.

그래서 스위치가 OFF되면 Low 상태가 되고, 스위치가 ON되면 High 상태가 된다. 일반적으로 MCU의 입력부분에는 저항이 달려있는데, 풀업, 풀다운 저항보다 아주 아주 큰값이므로 전압분배 법칙에 의해 대부분의 전압이 MCU의 입력부분으로 흘러 High 상태가 된다.




 Switch

 ON

 OFF

 (a) 그림

 +5V (High)

 Floating 

 (b) 그림

 +5V (High) 

 0V (Low) 



저항의 크기 계산

이러한 스위치 입력회로에서 만약 풀업 저항이나 풀다운 저항을 사용하지 않고 직접 +5V 또는 GND 단자에 스위치를 접속하면?

스위치를 눌렀을 때 그대로 단락되어 과전류가 흐르게 될 것이다.


그러므로 저항의 크기를 결정할 때는 입력신호와 관련되기 보다는 스위치를 눌렀을 때 형성되는 폐회로에 흐르는 전류의 크기를 감안하여 결정하면 된다. 일반적으로 이 전류의 크기는 수 mA가 되도록 하며, 따라서 보통 수 KΩ 정도의 저항을 사용하면 된다.


정리

일반적으로 풀다운 보다는 풀업이 노이즈에 강하다.

그래서 풀업을 더 많이 사용한다.


그리고 TTL과 같은 디지털 논리소자는 구조적으로 입력신호가 플로팅 상태이면, H상태와 같이 동작하도록 설계 되어 있다. 하지만 실제로 회로를 이렇게 사용하면 잡음에 매우 취약해지는 등의 부작용으로 회로시스템이 불안정해진다.


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선형 전압 레귤레이터(Linear Voltage Regulator)

by Blogger 하얀쿠아
2012. 10. 18. 03:22 하드웨어 Note/Basis Circuit

선형 전압 레귤레이터(Linear Voltage Regulator)


Embedded system을 설계하려면 가장 먼저 고려해야 할 점이 '전원회로를 어떻게 구성할 것인가' 이다. 

 

특히 휴대용 Embedded system을 설계할 때는 가장 중요한 부분이라고 할 수 있겠다.

요즘 스마트폰이나 테블릿 들이 여러 새로운 기능으로 변신을 하고 있지만, 여전히 가장 중요한 것 중 하나는 배터리(Battery)의 크기를 소형화 하는 것과 장치 자체가 사용하는 전력소모를 줄이는 것이다.

 

여기서는 간단히 Embedded system 설계에 필요한 Power 회로의 특징을 이해하는 정도만 알아보겠다.

 

첫 순서로 가장 많이 그리고 쉽게 사용하는 Linear Voltage Regulator 이다.

Linear Voltage Regulator 하면 그 용어가 생소할 수도 있는데...

우리가 +5V를 위해 흔히 사용하는 7805와 같은 3-단자 Voltage Regulator가 Linear Voltage Regulator 이다.

 

Linear Voltage Regulator는 일종의 가변저항으로 생각하면 되겠다.

즉, 일정한 Regulator 출력전압을 유지하기 위해 "Voltage Controlled Current Source"를 사용한다.



Voltage-Controlled Current source diagram



아래쪽의 직사각형 부분인, Sense/Control circuitry는 출력전압을 감지(sensing)하고 (부하에 의해 더 많은 전류가 필요할 경우원하는 값으로 출력전압을 유지하기 위해 Current source를 조정하여 부하로 공급되는 전류를 제어한다.


물론, Current source의 조정은 regulator의 최대 부하 전류 허용범위에 한정된다. 쉽게 말해서, 부하전압(현재 회로에 걸리는 전압)이 지정된 출력전압 이하로 떨어지면 부하에 더 많은 전류를 공급해서 출력전압을 상승시키고 출력전압이 지정된 출력전압 위로 상승하면 부하에 공급되는 전류를 줄여서 출력전압이 떨어지도록 계속해서 제어하는 것이다.

 

회로 설명에서 알수 있듯, 어떤 스위칭 동작이 없이 부하에 계속적으로 전류가 흐르게 된다. 따라서, Linear Regulator는 Switching Noise를 발생하지 않는다.

그리고, Power 회로를 구성하는데 주변 부품을 거의 필요로하지 않으므로 공간이 문제가 되는 곳에 적합하다고 할수 있겠다.

이 두가지 정도가 장점이다.


단점은 발생하는 열이 많아서, 필요할 경우 방열판이나 냉각팬을 설치하는 등의 방열을 위한 조치를 해야한다.

그리고 열이 발생되는 만큼 효율도 낮다고 할수 있겠다.

 

적용에 적합한 Linear Regulator의 선정시 고려해야 하는 요소들

 

1. Maximum Load Current 

Worst-case 동작 조건에서 부하에 충분한 전류를 공급하도록 Regulator를 선정



2. Type of Input Voltage Source (Battery or AC) 

Battery-powered application : LDO(Low Dropout) regulator (Best Choice)

Input 전압을 보다 많이 사용하기 위해 일반적으로 Linear Regulator는 입력과 출력 사이에 2V 이상의 전압차가 필요하다. (LDO Regulator는 Voltage drop이 0.5V ~ 1.3V로 작다.) 

 

AC : AC를 정류해서 regulator에 입력되는 DC 전압을 얻을 경우 regulator의 dropout  voltage는 더 이상 큰 문제가 아니다.

AC transformer의 2차측 전압을 올려 충분한 regulator input 전압을 얻을 수 있기 때문이다. 이런 경우 경제적이고 보다 많은 부하전류를 공급할 수 있는 “Standard regulator"가 일반적으로 선택되며, 보다 정밀한 출력전압을 요구할 경우 ”LDO regulator"가 'Best Choice'가 될 수 있다. 



3. Output Voltage Precision(Tolerance)

대부분의 linear regulator는 5% 범위 내에서 출력전압을 보장하며 이는 대부분의 응용에 있어 적합한 수준이다.

 


4. Quiescent (Idling) current

Battery-powered application에서 특히 중요한 인자로 idle 상태에서 소자가 source로부터 끌어오는 전류를 말한다.

몇몇 application에서 regulator는 대부분의 시간동안 standby (또는 shut off상태에 있다가 main regulator가 fail 된 경우에만 부하전류를 공급할 수도 있다.

이런 경우 Quiescent current가 battery 수명을 결정한다. 대부분의 typical regulator는 수 milliamps의 Quiescent current를 가지고 LDO type은 75 ~ 150㎂ 정도이다.. 


[출처] Linear Voltage Regulator|작성자 seo0511

[출처] Linear Voltage Regulator|작성자 seo0511

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5v를 3.3v로, 3.3v를 5v로! 전압 변환을 위한 부품 Logic Level Converter

by Blogger 하얀쿠아
2012. 10. 15. 13:53 하드웨어 Note/Basis Circuit

5v 시스템에 3.3v 장치를 연결해 본 사람은 그것이 얼만다 번거로운 일인지 잘 알 것이다.


5v 인 ATmega128에 블루투스 FB155BC 칩을 붙인 다던가 하는 작업 말이다.


BOB-08745 라는 Logic Level Converter 가 있다. 

링크 : https://www.sparkfun.com/products/8745


이것은 5v 시그널을 3.3v 로 낮춰주기도 하고 3.3v 를 5v 로 높여주기도 한다고 한다.

2.8v 과 1.8v 에 대해서도 동작한다고 한다. (오!)


아직 사용해 보지는 않았지만, 추후 이런 상황이 발생하면 이걸 사용해 볼까 한다.


가격도 1.95 달러로 저렴. (홍보하는 것 같지만, 나와는 상관없다. 유용한 정보인 것 같아서 기록 해 둔다.)

이미지는 무단도용!

출처는 위 링크!

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레귤레이터에 캐패시터를 붙이는 이유(The reason why attach capacitor on regulator)

by Blogger 하얀쿠아
2011. 4. 18. 16:48 하드웨어 Note/Basis Circuit

레귤레이터에 캐패시터를 붙이는 이유 (The reason why attach capacitor on regulator)

통상적으로 데이터시트를 보다보면, 레귤레이터 앞과 뒷단에 캐패시터를 붙이는 걸 발견하게 된다.

이것들을 왜 붙일까? 크게 2가지 역할을 해준다. 

  1. 발진방지
  2. 전원임피던스를 낮추어줌 


첫번째 이유. 

레귤레이터는 일종의 DC앰프이다. 따라서 부하에 따라 자칫 발진할 가능성이 많다고 한다. 여기에 약간 이상한 부하, 예를 들면 모터나, 솔레노이드처럼 코일로 된 부하를 연결하면 쉽게 발진을 하게 된다고 한다. 실제 출력측에 콘덴서를 달지 않는 경우, 제조회사에 따라 다소 다르지만 수백khz정도로 발진을 하게된다. 그래서 발진방지용으로 콘덴서를 붙인다. 

이때 GND단자와 최대한 가깝게 연결하는 것이 중요한 포인트.


두번째 이유.

순간적인 부하전류변동에 대해 레귤레이터의 응답이 대응하지 못하는 경우가 있을수 있다. 즉 소비전류가 0.1A -> 1A로 급속히 변하는 경우 5V에서 약간 떨어졌다가 다시 5V로 복귀될 수 있다는 말이다. 

이런 경우 출력 측 콘덴서가 레귤레이터 대신 순간적인 출력을 내주므로써 어느정도 보상을 해주고, 회로를 안정적으로 유지해 주는 것이다. 

입력측에 콘덴서를 달아주는 것은 일반적인 레귤레이터의 경우 다음 조건을 만족해야 한다.


가령 5V 레귤레이터를 사용하기 위해서는 7V이상의 입력전압을 넣어줘야 하는데 여기서 7V란 의미는 리플전압에서 최소전압을 의미한다. 따라서 입력측에 콘덴서를 넣어주어 리플전압이나 노이즈를 제거함으로써 안정된 출력을 낼수 있게 해주는 것이다.

일반적으로 콘덴서 용량은 큰것이 좋지만 그렇다고 불필요하게 클 필요는 없다. 보통 수십~수백uF정도면 충분하다고 알려져있다.  위의 콘덴서 용량값은 최소조건이고, 되도록 이값보다 충분히 높은 용량을 붙이는 것이 더 좋긴 하다. 


캐패시터?

캐패시터는 축전기라고도 한다. 다른 말로 콘덴서라고 하는데 기본적으로 두개의 도체판을 나란하게 놓은 형태가 가장 기본 형태의 평행캐패시터 또는 평형 축전기라고 한다.     이러한  캐패시터에  직류 전압 V 를 가하면, 전하량 Q =CV 만큼의  전하가 축적된다. 즉 직류의 전압을 가하면  전하는 두 개의 도체판에 축적되기만 하지  전류는 흐르지 않는다. 즉 축적되는 동안은 전기는 흐르지만  전하들이 많아지면 전위가 나중에는 건전지와 같게 되어 더 이상 직류전지에서 전자는 나오지 않게 된다. 이렇게 도체판이 대전된 상태에서 회로가 끊어진 상태로 된다. 그래서 전기가 담아져 있다고 해서 축전기 즉 전기를 모은 상태라고 이야기 한다.

여기서 직류전압(전지)를 끊고 다른 회로를 연결하면 캐패시터에 모아진 전기 때문에 직류전지의 역활을 할수 있다. 

그러나  이것에 교류전압 v 를 가하면 캐패시터의 금속판에는 (+)와 (-)가 서로 번갈아 가면서 축적되거나 방출을 하게 된다. 즉 캐패시터는 충 ·방전되어, 이에 대해 교류의 경우는 C dv /dt 인 전류가 흐른다. 교류전압이 사인파 교류전압(각주파수 ω)이면, 콘덴서에 흐르는 전류는 그 크기가 1/ωC 의 리액턴스(캐패시터의 교류성분의 의한 저항) 저항에 흐르는 전류와 같고, 위상이 전압보다 90 ° 빠르다. 


 

 

 


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