먼저 알아둘 용어
피크 홀드(peak hold)·리셋(reset) — 피크 홀드는 입력의 최대값을 커패시터(capacitor)에 저장해 유지하는 회로입니다. 리셋은 저장 전하를 기준 상태로 되돌려 다음 측정을 시작하는 동작입니다.
드루프(droop)·포화 복귀 — 드루프는 누설과 부하 때문에 홀드 전압이 시간에 따라 변하는 현상입니다. 포화 복귀는 증폭기 출력이 전원 끝에 붙은 상태에서 다시 정상 응답으로 돌아오는 과정입니다.
계산 기호와 단위 — ΔV는 홀드 전압 변화, Δt는 유지 시간, I누설은 전체 누설 전류, C는 저장 용량입니다. nA는 10⁻⁹ A, µF는 10⁻⁶ F, mV는 10⁻³ V입니다.
작동 원리
양의 피크를 잡는 한 가지 연결에서는 입력을 연산증폭기(operational amplifier)의 비반전 입력(non-inverting input, +)에 넣고, 증폭기 출력에서 다이오드(diode)의 애노드(anode)를 거쳐 저장 커패시터의 윗단으로 보냅니다. 다이오드의 캐소드(cathode)는 저장 노드 쪽입니다. 반전 입력(inverting input, −)에는 증폭기 출력 핀이 아니라 다이오드 뒤의 저장 노드를 되먹입니다. 이렇게 연결해야 다이오드가 도통하는 동안 증폭기가 저장 노드의 전압을 입력과 비교해 조정합니다.
입력이 저장 전압보다 높아지면 증폭기가 자신의 출력 핀 전압을 다이오드의 순방향 전압만큼 더 올려 저장 노드를 충전합니다. 피드백이 정상으로 닫혀 있고 증폭기의 전원 전압·출력 전류·응답 속도에 여유가 있다면 저장 노드는 새 피크를 따라갈 수 있습니다. 따라서 다이오드 전압 강하가 사라지는 것은 아닙니다. 증폭기가 그 전압 강하를 회로 안에서 보상하는 것입니다. 저장 노드가 입력을 실제로 얼마나 가깝게 따라가는지는 원하는 피크의 크기와 폭에서 측정해야 합니다.
입력이 저장 전압보다 낮아지면 다이오드는 역방향으로 막히고 커패시터가 이전 최대값을 유지합니다. 이때 위 연결의 증폭기는 다이오드가 끊어 놓은 피드백을 잃어 음의 전원 방향으로 포화될 수 있습니다. 다음 피크가 아주 짧다면 증폭기가 포화에서 돌아오는 시간이 피크 폭을 잠식합니다. 드루프뿐 아니라 이 재획득 시간을 따로 시험해야 합니다.
저장값을 다음 측정 전에 0V로 돌릴 때는 커패시터 양단을 연결하는 리셋 스위치(reset switch)를 닫았다가 다시 엽니다. 그림은 스위치를 기능 기호로 나타냈습니다. 실제 MOSFET(Metal–Oxide–Semiconductor Field-Effect Transistor, 전계효과 트랜지스터)을 쓰려면 바디 다이오드의 방향, 게이트 구동 전압, 꺼진 상태의 누설과 스위칭 때 저장 노드로 들어오는 전하를 별도로 확인해야 합니다. 용량이 크거나 저장 전압이 높으면 단락 직후 방전 전류가 커질 수 있으므로, 스위치 정격과 필요한 방전 시간에 맞춰 경로를 설계합니다.
적용 순서
- 측정하려는 피크 크기와 폭, 다음 측정까지 유지할 시간을 정합니다. 커패시터를 늘리기 전에 가장 짧은 펄스를 충전할 수 있는지 확인합니다.
- 점점 큰 피크를 넣어 저장값 증가를 확인합니다. 증폭기 출력 핀과 다이오드 뒤 저장 노드를 함께 관측하면, 도통 중에는 두 노드 사이에 순방향 전압이 있으면서 저장 노드가 입력을 따라가는지 구분할 수 있습니다. 이어 더 작은 피크를 넣어 이전 최대값이 유지되는지 확인합니다. 최대값만 증가시키는 시험으로 두 동작을 모두 확인했다고 판단하지 않습니다.
- 입력을 낮은 상태로 둔 뒤 리셋 경로를 동작시켜 저장값이 기준 상태로 내려오는지 봅니다. 스위치를 연 후에 다음 피크를 넣어 잔류 전하와 스위칭에 따른 전압 튐이 재측정에 미치는 영향을 확인합니다. 리셋 후 다음 피크까지의 대기 시간도 기록합니다.
- 입력을 낮게 유지한 채 홀드 전압의 시간 변화를 재어 드루프를 계산합니다. ΔV≈I누설·Δt/C로 허용 유지 시간을 추정합니다.
적용 조건과 한계
누설 10 nA, C=1 µF로 가정해 계산하면 1초에 약 10 mV가 변합니다. 실제 누설은 다이오드·커패시터·스위치(switch)·기판과 측정 부하를 합한 값입니다. 입력을 낮게 유지한 채 시간별 홀드 전압을 기록하여 실제 드루프를 구합니다.
피크 사이에서 증폭기 출력이 음의 전원 쪽으로 포화되는 구조라면 다음 짧은 피크에 반응하기까지 복귀 지연이 생길 수 있습니다. 저장 커패시터를 키우면 유지에는 유리해도 짧은 피크의 충전에 필요한 전류와 시간이 늘어납니다. 예를 들어 저장 노드를 Δt 동안 ΔV만큼 올리려면 이상적인 커패시터에만 필요한 평균 전류가 약 C·ΔV/Δt입니다. 이는 다이오드와 증폭기의 추가 제한을 빼고 계산한 최소한의 크기 확인입니다. 실제 회로에서는 목표 피크 폭에서 전류 공급 능력과 출력 변화 속도(슬루율, slew rate)를 함께 확인합니다.
같은 관계를 일정한 충전 전류로 계산해 보면, 누설과 부하가 없는 이상적인 1 mF 커패시터에 1 mA가 전부 들어갈 때 dV/dt=I/C=1 V/s입니다. 따라서 전압을 1 V 높이는 데 1초가 걸립니다. 여기서 mF는 10⁻³ F로, 앞의 드루프 예시에 쓴 µF와 다릅니다. 커패시터의 전류·전압 변화 관계를 적용한 계산 예시이지, 이 피크 홀드 회로의 실측값이나 권장 저장 용량은 아닙니다. 실제 충전 전류가 변하면 그 시간 변화를 반영해야 합니다.
확인과 기록
새 최대값 획득, 작은 피크 무시, 홀드 유지, 리셋, 리셋 뒤 재획득을 각각 시험합니다. 리셋 스위치의 방전 경로와 전류를 확인하고 기준 전압까지 돌아온 뒤 다음 입력이 들어오는지 봅니다. 측정기 입력 임피던스가 낮으면 홀드 노드 자체를 방전시킬 수 있으므로 측정 부하도 기록합니다. 허용 피크 오차와 펄스 폭, 유지 시간 및 반복 주기를 함께 남깁니다.
작업 순서를 다시 확인합니다
AM 포락선 추적은 최대값을 계속 붙잡아 두는 동작이 아닙니다
단순 다이오드·커패시터 피크 검출기에서는 입력이 저장 전압보다 충분히 높을 때 충전되고, 그 뒤에는 부하·누설을 통해 방전됩니다. ADI의 다이오드 응용 §7.1·7.3처럼 AM 포락선 검출은 그 방전을 허용하여 느리게 변하는 진폭을 따라가게 합니다.
단순 설계 출발점은 반송파 주기보다 길고 포락선 변화 시간보다 짧은 방전 시정수입니다. 너무 짧으면 반송파 리플이 남고 너무 길면 포락선의 하강을 따라가지 못합니다. 변조 깊이·주파수·다이오드 전압·신호원 임피던스까지 영향을 주므로 이 부등식 하나가 왜곡 없는 동작을 보증하지 않습니다. 리셋 전까지 최대값을 유지하려는 현재 글의 피크 홀드 목적과 구분해 입력·저장 노드·출력 파형을 비교합니다.