그림으로 배우는 전자회로의 기초 (1) - 전자회로의 상식

그림으로 배우는 전자회로의 기초 (Ⅰ) - 전자회로의 상식

 

그림으로 배우는 전자회로의 상식

 

 

눈을 떠라! 베타그라운드는 0V가 아니다

 

1. 베타 그라운드는 대단하지 않다…

 

 

‘베타 그라운드’라는 이름으로 부르면 어쩐지 대단한 그라운드처럼 생각돼서 노이즈가 전혀 없고 임피던스도 제로이며 전류가 원활하게 전달되는 조용한 0V일 것만 같다. 실제로는 그림 1과 같이 베타 그라운드도 일반 배선 패턴과 동일한 금속이며 차이는 배선보다 약간 두껍다는 점이다.

같은 개념으로, 노이즈 대책으로 두꺼운 전선으로 접속하는 ‘그라운드 강화’라는 방법이 있지만 이 강화된 그라운드도 임피던스는 제로가 아니다. 특히 노이즈 대책 시 개략적인 계산이어도 상관없으므로 구체적으로 회로 소자로서 그라운드 저항이나 임피던스분을 고려할 필요가 있다.

 

2. 실험! 인덕턴스 성분이 전류의 흐름을 방해하여 노이즈가 된다

 

 

베타 그라운드가 별로 이상적이지 않다는 사실을 간단한 실험으로 확인해 본다(그림 2, 사진 1). 그림 2와 같이 4MHz의 클록 오실레이터와 300Ω의 부하저항을 베타 그라운드판 위에 5차 정도 떨어뜨려 납땜한다.

베타 그라운드판은 두께 0.1mm의 놋쇠판을 사용했다. 베타 그라운드 아래에 두께 3mm의 알루미늄판을 놓고 양쪽을 10cm 악어클립으로 접속했다. 10cm 선의 인덕턴스는 100nH정도일 것이다. 베타 그라운드 반대쪽 A점에 오실로스코프의 10MΩ프로브를 접속하고 그림 2에 나타난 A점 전압을 측정해 보았다.

 

 

사진 2의 좌측에 나타난 것은, 실제로 동작시켰을 때의 베타 그라운드 우측 단 전압(노이즈)을 오실로스코프 10 : 1 프로브로 측정한 것이다. 약 60mV 진폭의 노이즈가 관측됐다.

 

 

베타 그라운드와 알루미늄판을 집중 승수 회로로 나타낸 등가 회로가 그림 3이다. 신호선의 리턴 전류가 흐르는 패스의 임피던스는 제로가 아니므로 전류×ωL의 임피던스만큼 전압이 발생한다. 사진 1과 같은 접속으로 그림 3의 등가회로에 대입할 경우, L의 값은 5nH 정도이며 C는 10pF 정도로 할 경우 시뮬레이션에서 가까운 전압으로 만들 수 있다.

 

노이즈를 깨끗이 없애주는 코먼 모드 초크 코일

 

1. 신호는 그대로 통과시키고 동상 노이즈 성분은 감쇠 시킨다

 

 

코먼 모드 초크 코일은 그림 4와 같이 2개 이상의 선과 동축선을 페라이트 코어에 감은 전자부품이다. 선에 같은 방향으로 흐르는 전류 성분(동상 성분)은 전류에 의해 페라이트 코어내에 자계가 발생하고 인덕턴스에 의해 임피던스가 발생한다. 주파수가 높아짐에 따라 전류는 잘 흐르지 않게 된다.

전류가 역방향으로 흐르는 전류 성분(차동 성분)에서는 역방향으로 흐르는 전류에 의해 자계가 소거되어 인덕턴스가 증가하지 않는다.

이 성질에 의해 전류가 역방향으로 흐르는 신호 성분은 그대로 통과시키고, 전류가 동일한 방향으로 흐르는 노이즈 성분은 감쇠시킬 수 있다. 동일한 방향으로 흐르는 전류에 대한 인덕턴스로 노이즈를 감쇠시키는 구조이다.

MHz 단위의 노이즈에는 유효하지만 수kHz 이하의 노이즈에 작용시키려면 1mH 이상의 인덕턴스가 필요하기 때문에 코일 권수를 늘려야 한다. 코일 권수를 늘리면 코일 배선간 기생용량에 의해 높은 주파수 성분이 통과하게 되므로 주의해야 한다.

 

2. 실험! 2개의 그라운드 사이에 넣어 본다

 

로우 노이즈 회로에는 블록 사이에서 그라운드를 분리하고 그라운드 전위의 노이즈(동상 노이즈/코먼 모드 노이즈)를 전파시키지 않도록 하는 테크닉이 사용되고 있다. 이것을 그라운드 아이솔레이션이라고 한다. 그라운드 아이솔레이션에는 다음과 같은 방법이 있다.

·포토커플러에 의한 광결합

·트랜스에 의한 AC 결합

·차동 전송 ·코먼 모드 초크 코일로 동상 전류 저감

 

 

사진 3은 코먼 모드 초크 코일을 사용한 그라운드 아이솔레이션 실험 모습을 나타낸 것이다. 그림 5(a)는 베타 그라운드끼리 직접 접속한 경우, 그림 5(b)는 코먼 모드 초크 코일을 경유시킨 경우이다.

그림 5(b)에서 사용한 코먼 모드 초크 코일은 FT37의 #43재(페라이트 코어 FT37의 #43재, 아미돈社제품)에 트위스트선을 6T(턴) 감은 것이다.

 

 

그림 6은 A점과 B점에서의 시간축 전압 파형을 50Ω종단에서 측정한 결과이다. 직접 접속한 A점과 코먼 모드 초크 코일을 경유한 B점에서는, 시간축에서 300mV 정도인 노이즈 진폭이 100mV 정도로 개선됐다.

 

 

그림 7은 동일한 조건에서 측정한 노이즈 스펙트럼이다. 10MHz∼100MHz의 고조파(오버톤) 노이즈가 20dB 정도 개선됐다.

 

 

교과서의 회로도와 현장의 회로도는 무엇이 다른가?

 

 

그림 8에 OP 앰프를 사용한 10배의 비반전 앰프 회로도를 그려 보았다. 교과서대로 그리면 이와 같이 될 것이다. 한편, 그림 9는 실제 사용하는 것을 상정하여 다시 그린 회로도이다. 교과서의 회로는 어디까지나 이론을 설명하기 위한 것이며 실제와는 다르다. 

 

1. 현장의 회로도는 다음과 같은 점에서 교과서의 회로도와 다르다

 

(1) OP 앰프에 모델명을 기록할 수 있다

OP 앰프의 종류는 용도에 따라 다양하다. 또한 구할 수 있는 품종을 필요에 따라 선택해야 한다.

(2) 부품의 값을 기록할 수 있다

반드시 저항이나 콘덴서의 값을 기재한다. 그림 8과 그림 9는 OP 앰프를 사용한 증폭회로이다. 계산으로 6.3kΩ이 필요하다는결과가나와도그러한저항기는구할수없다.‘ 계열’ 이라 불리는 규격으로 제조 효율을 높이기 위해 메이커가 만드는 저항값이 계단 형태로 정해져 있다.

(3) IC 단자명을 기록할 수 있다

그림 8과 같은 대부분의 실제 OP 앰프 IC는 두 개 분량의 회로가 들어 있으며 8개의 단자를 갖고 있다. 단자가 8개로 되면 회로도를 판독할 때 각 단자의 기능을 기억해 두는 것이 어렵다. 그래서‘8핀(전원), 4핀(그라운드)…’과 같은 식으로 메모해 둔다.

(4) 사용하지 않는 단자의 경위를 기록할 수 있다

OP 앰프 1개가 들어 있는 2개의 증폭 회로 중 1개만 사용할경우, 사용하지 않는 앰프를 방치하면 IC 자체의 동작이 불안정해지거나 부품이 파괴된다. 그 처리 방법과 방침을 기록해 둘 필요가 있다.

(5) OP 앰프를 움직이기 위해 필요한 저항이 기록돼 있다

OP 앰프는 트랜지스터 회로로 되어 있다. 트랜지스터는 베이스 전류를 흘리지 않으면 움직이지 않는다. 그림 9에 나타난 LM358의 ＋ 단자에는 트랜지스터의 베이스가 연결되어 있으며 이 트랜지스터에 베이스 전류를 흘리지 않을 경우 OP 앰프는 정상적으로 움직이지 않는다.

R₁은 그 베이스 전류가 흐르는 경로로 되어 있다. 그림 8에 나타난 회로는 움직이지 않는다.

(6) 전원의 임피던스를 낮추는 콘덴서가 기록되어 있다

IC는 안정적인 전원이 공급되지 않을 경우 성능을 발휘할 수 없다. 그래서 그림 9의 회로에는 전원 라인의 임피던스를 낮춰 OP 앰프의 소비전류가 크게 변동해도 아무렇지 않도록 콘덴서 C₃(바이패스 콘덴서)가 달려 있다.

(7) 발진 대책용 부품이 함께 있다.

앰프 설계가 나쁘면 신호가 들어 있지 않은데도, 신호가 나오거나 증폭되어 출력된 신호에 불필요한 신호가 중첩되는 경우가 있다. 이 현상을 ‘발진’이라고 한다. C₁, C₂, R₄는 발진이 일어나지 않도록 하는 대책 부품이다.

 

디지털 vs 아날로그

 

1. yes or no로 움직이는 디지털 IC

 

 

디지털 IC는 High(하이)나 Low(로우)의 2개 신호로 동작한다. 입력된 신호가 High인지 Low인지는 임의 레벨을 기준으로 판정한다(그림 10).

입력 신호의 레벨이 High라고 판정되는 전압 범위에서 아무리 입력 전압이 변화하려고 해도 High라는 판정 결과를 뒤집을 수는 없다.

 

2. 노이즈에 강하지만 돌연 쓸모 없어지는 디지털

 

 

이 특성의 장점은 다소의 노이즈가 입력 신호에 실려 있어도 동작이 이상해지지 않는다는 점이다(그림 11). 데이터를 멀리까지 통신하는 용도에서는 특히 이 장점을 살릴 수 있다.

 

 

디지털 회로는 확실히 노이즈에 강하지만 판정 레벨 부근까지 영향이 있는 노이즈가 실려 있으면 단번에 역전되어 데이터가 완전히 결락되므로 상상할 수 없는 불량을 일으키거나 원인 불명의 정지가 일어나기도 한다. 그래서 중요한 회로에서는 반드시 오류 정정 등의 대책이 세워진다(그림 12).

 

3. 노이즈에 약하지만 바로 쓸모 없게 되지는 않는 아날로그

 

아날로그는 작은 것이라고 하더라도 노이즈가 섞이면 섞인만큼 영향을 받는다. 디지털 신호는 오류 정정 등의 기술로 잃어버린 데이터를 부활시킬 수 있지만, 아날로그 신호는 일단 영향을 받으면 다시 분리할 수 없다. 단, 아날로그 신호는 노이즈에 오염되더라도 신호 전체는 형태를 유지하고 있어 바로 쓸모 없게 되지는 않는다.

 

4. 디지털 회로와 아날로그 회로는 분리하는 것이 기본

 

최근의 기판에는 노이즈에 대한 내성이 다른 아날로그 회로와 디지털 회로가 함께 존재한다. High와 Low의 2개 값으로 움직이는 디지털 회로가 최대의 노이즈원이 되는 경우도 있다.

이것을 함께 놓을 경우에는 가급적 장소를 떨어뜨려 실장해야 한다. 우선 중요한 것은 전원과 그라운드를 분리하는 것이다.

 

전자부품은 방향이 틀릴 경우 성능을 발휘할 수 없다

 

1. 핫하게 했나? 콜드하게 했나? 회로에는 핫/콜드가 있다

 

커피에서는 핫과 아이스이라고 하지만 전기회로에서는 핫과 콜드라고 한다. 실제로 뜨겁거나 차가운 것이 아니라, 그라운드(기준 레벨)에 대해 전위가 높은 부분을 핫 측, 낮은 부분을 콜드 측이라고 한다.

 

 

그림 13은 게르마늄 라디오의 회로 열이며, 동조 회로의 그라운드 반대쪽은 전형적인 핫 측이다.

 

2. 부품에도 핫/콜드가 있다

 

LCR(인덕터, 콘덴서, 저항기)와 같은 2단자 부품은 전기회로도 상의 핫 측에 부품의 어느쪽 단자를 연결해도 되는 것처럼 보인다.

예를 들면 그림 13의 가변 콘덴서 기호에는 핫/콜드의 구별이 없다. 그러나 부품 구조가 반드시 대칭일 수만은 없으므로 핫/콜드의 구별이 필요한 경우가 있다.

 

 

가변 콘덴서를 예로 들면 에어 가변 콘덴서[그림 14(b)]와 같이 기계적으로 가변하는 것은 딱 봐도 비대칭이므로 핫/콜드의 구별을 쉽게 알 수 있다. 폴리 가변 콘덴서[그림 14(c)]는 케이스로 덮여 있기 때문에 보는 것만으로는 구별하기 어렵다.

모든 가변 콘덴서는 회전축이 금속으로 되어 있고 가동 전극에 연결되어 있다. 따라서 회로의 핫 측에 부품의 콜드 측을 연결하면, 회전축이나 금속 케이스에 닿을 때마다 동조 주파수가 변해 버린다. 또한, 부유용량이 증가하여 주파수 조정 범위가 좁아진다. 딱 봐도 핫/콜드를 구별하기 어려운 부품은 성가시다.

(1) 트리머 콘덴서

트리머 콘덴서는 반고정 콘덴서라고도 불리며 동조 회로나 필터 등의 조정에 사용한다. 트리머 콘덴서에도 핫/콜드의 구별이 있으며 실장에서 회로의 핫/콜드 방향을 맞추지 않으면 조정하기 어려워지거나 부유용량이 증가한다.

 

 

트리머 콘덴서도 고정 전극이 핫 측, 고정 전극이 콜드 측으로 되는 것이 기본이지만 외관으로 봐서는 잘 판단되지 않는 경우가 대부분이다. 예를 들어 그림 15(a)는 세라믹 트리머 콘 덴서의 외관인데 동일한 단자 구조이며 핫/콜드 표시도 없다. 세라믹 트리머의 구조[그림 15(b)]를 알면 그림 15(a)의 바로 앞단자가 핫 측이라고 상상할 수 있지만 정확성을 기하기 위해서는 카탈로그 등에서 확인해야 한다.

또한, 카탈로그 등에서는 핫/콜드라고 명확하게 표시되어 있는 예가 적고‘＋/－’로 표시되어 있는 경우가 많다. ＋는 핫 측을 －는 콜드 측을 나타내며 전압의 플러스/마이너스는 아니다.

①전해콘덴서

전해 콘덴서의 경우에는 전압의 플러스/마이너스를 나타내며 핫/콜드의 구별은 없다.

(2) 필름 콘덴서

필름 콘덴서는 양극 모두 동일한 재질과 동일한 구조이므로 전기적 극성이 없다. 어떤 단자든 플러스 혹은 마이너스 측에 연결해도 문제가 없다.

 

 

그러나 필름 콘덴서이므로 극성 표시가 있는 경우가 있다 [그림 16(a)]. 이것은 전기적 극성이 아니라 이전에 바깥쪽 전극에 접속되어 있던 리드를 나타내는 흔적이다. 노이즈 대책이나 안전 면에서는 바깥쪽 전극을 저전위 측으로 하는 것이 바람직하지만, 지금은 표시하는 데 아무런 의미가 없다(표시와 내측·외측의 관계가 일정하지 않다).

(3) 고주파용 저항

 

 

특수한 저항기에 고주파 종단용이 있다. 그림 17과 같이 콜드 측 단자가 섀시나 방열기 등에 직접 설치되어 있다. 칩 타입의 고주파 종단용 저항기도 있으며 콜드 측(그라운드 측) 단자 면적이 넓게 되어 있으므로 실장할 때에는 설치 방향에 주의해야 한다.

(4) 인덕턴스

 

 

2단자 인덕턴스에는 원칙적으로 핫/콜드의 구별이 없다. 그대신 권선에 방향성이 있다. 인덕턴스는 그림 18과 같이 여러개가 근접해 있을 경우 상호 자기 결합하게 되는데, 감는 방향에 따라 영향 정도가 달라진다.

예를 들어 2개의 1mH 인덕터를 직렬로 연결하면 계산상 합계 인덕턴스는 2mH가 되지만 나란히 실장했을 때 자속 방향이 일치하면 최대 4mH까지 커지며, 자속 방향이 반대면 최소 0mH까지 작아진다. 영향의 정도는 양자의 결합도에 따라 다르며 양자의 거리, 코일 방향, 코어(자심) 유무 등에 따라 변화한다.

 

 

시판되고 있는 인덕터는 코어를 넣거나 자성체로 감싸 결합을 줄이도록 고안됐지만 완전히 결합을 없앨 수는 없다. 그래서 코일의 감기 시작을 표시하고 영향이 적어지는 실장 방법을 선택하게 되어 있다(사진 4).

단, 감는 방향(좌감기인지 우감기인지)을 알 수 없으므로 다른 메이커 사이에는 감기 시작을 알아도 영향 정도를 알 수 없는 경우가 있다.

동일한 메이커라도 품종에 따라 감는 방향이 다른 경우가 있으므로 그때그때 확인이 필요하다.

(5) 상용 전원

가정용 상용 전원은 단상 2선식 혹은 단상 3선식으로 배전되어 있다.

 

 

안전을 확보하기 위해 그림 19와 같이 배선의 한 방향(3선식에서는 중점)을 기둥 형태 트랜스 2차 측에서 접지했다. 접지 측을 뉴트럴(Neutral), 반대쪽을 라인(Line)이라고 한다. 전자회로의 콜드 측, 핫 측과 같다.

전자기기에서는 상용 라인의 뉴트럴과 라인의 구별을 의식하는 경우가 적다. 퓨즈나 피뢰 부품 등의 보호 회로 설계에서는 뉴트럴/라인을 고려해야 한다.

 

특성 임피던스가 50Ω이라고 할 때 무엇이 50Ω인가?

 

1. 측정해 봐도 50Ω이 아니다? 임피던스 50Ω은 무엇을 말하는가?

 

 

동축 케이블에는 규정 임피던스(특성 임피던스)가 있으며 50Ω이나 75Ω이 흔히 사용된다. 그러나 사진 5와 같이 임피던스 50Ω의 동축 케이블을 테스터(옴계)로 측정해도 50Ω이 되지 않는다.

확실히 반대쪽을 50Ω저항기로 종단하면 50Ω이 되지만 1kΩ으로 종단하면 1kΩ이 되어 케이블의 임피던스와는 관계없다. 그렇다면 동축 케이블의 임피던스란 대체 무엇인가.

 

2. 특성 임피던스 : L 성분과 C 성분의 비

 

 

동축 케이블의 임피던스는, 정확하게는 특성 임피던스라고 한다. 저항기나 콘덴서의 단독 임피던스와 의미가 약간 다르다. 동축 케이블은 그림 20과 같이 분포상수로 생각할 수 있다. 단위길이당 커패시턴스를 C₀[F], 단위길이당 인덕턴스를 L₀[H]라고 하면 특성 임피던스 Z[Ω]는 다음과 같은 식으로 계산할 수 있다(도체손, 유전체는 무시).

이 식은 동축 케이블뿐 아니라 평행 케이블이나 프린트 기판 패턴에도 적용할 수 있다. 

 

즉, 전송 선로의 단위 길이 커패시턴스와 단위 길이 인덕턴스를 적당하게 맞추면 임의의 임피던스(특성 임피던스)를 얻을 수 있다.

 

 

동축 케이블은 그림 21과 같은 구조로 되어 있다. 내부 도체의 바깥 지름을 d[m], 외부 도체의 안쪽 지름을 D[m]라고 하면 특성 임피던스 Z[Ω]는 다음과 같은 식으로 계산할 수 있다.

 

 

여기서ε_r은 유전체의 비유전율이며, ln은 자연대수(e : 네이피어수≒2.71828을 바닥으로 한 대수)이다.

 

3. 약간 돌아가는 길 … 테스터로 콘덴서나 인덕터 하나만 측정하면 어떻게 될까?

 

주제에서 다소 벗어나긴 하지만 테스터로 콘덴서의 양단 저항을 측정하면 어떻게 될까. 용량이 너무 작으면 알기 어렵지만 한순간은 낮은 저항을 나타내고 서서히 ∞Ω이 된다.

마찬가지로 인덕터 양단 저항을 측정하면 지침은 천천히 움 직여 최종적으로는 인덕터의 직류 저항을 가리킨다. 인덕턴스가 너무 작으면 알기 어렵다.

이 과도 현상은 테스터의 내부 저항과 콘덴서 혹은 인덕터와의 시정수 τ＝RC, τ＝L/R에 의한 것이다. 또 인덕터의 경우에는 테스터의 측정 전류가 작기(내부 저항이 크기) 때문에 콘덴서에 비해 지침이 늦게 흔들리는 것을 느끼기 어려울지도 모른다. 아날로그 테스터의 저저항 레인지 내부 저항은 100Ω정도이다.

콘덴서와 인덕터가 직렬로 연결된 것을 테스터로 측정하면 콘덴서의 앞섬과 인덕터의 지연으로 일정 시간 안에 적당한 저항값이 된다.

 

4. 케이블이 너무 길면 테스터로도 특성 임피던스를 측정할 수 있다

 

너무 긴 동축 케이블의 한쪽 끝에서 테스터로 저항을 측정하면 어떤 시간에는 일정한 저항값을 나타낸다. 그 저항값이 50Ω이라는 특성 임피던스인 것이다. 대용량 콘덴서와 인덕터를 직렬로 연결한 것과 아주 유사하다.

이것을 의인화하면‘테스터에서 보면 측정 시작 시점에는 동축 케이블 끝에 몇 옴의 저항이 접속되어 있는지 알 수 없으므로 일단은 특성 임피던스를 나타내 둔다. 신호가 끝에 도달하고 또 한끝에서 반사신호가 돌아오면 저항값을 알 수 있으므로 그것을 표시하자’가 된다.

끝의 저항이 50Ω이면 언제나 50Ω인 상태이므로 끝에서 반사 신호는 없었던 것과 같다. 이것을 임피던스 매칭이 취해졌다고 한다.

테스터 지침의 응답 특성은 대략 수Hz이므로 수백ms 이하에서 변화하는 현상은 측정할 수 없다. 측정하기 위해서는 전기 신호의 왕복 시간이 수백ms 이상인 동축 케이블이 필요하다. 동축 케이블 내의 전기 신호 속도는 초속 20만km 정도이므로 길이 5만km라면 테스터로 측정할 수 있게 된다.

5만km는 지구를 1바퀴 이상 돌 수 있는 길이이므로 그렇게 긴 동축 케이블을 준비하는 것은 어렵다. 더욱이 케이블이 길어지면 도체 저항을 무시할 수 없게 되므로 절대 영도 부근까지 식혀서 초전도 상태로 하는 등 매우 번거로워진다.

 

5. 측정 시간이 짧으면 케이블이 짧아도 특성 임피던스를 측정할 수 있다

 

더 고속에서 동작하는 측정기, 예를 들면 펄스 발생기와 오실로스코프를 이용하면 수m 정도의 동축 케이블 반대쪽 끝이 몇Ω이든 측정 시작 이후 일정 시간 안에는 50Ω으로 보인다는 것을 확인할 수 있다.

TDR(Time Domain Reflectometer)이라고 불리는 전용 측정기를 이용하면 더 간단하게 확인할 수 있다. TDR은 상승이 빠른 펄스 발생 회로와 송신단이 전압 변화 검지 회로를 세트로 한 측정기로, 전송 경로의 인덕턴스나 반사점까지의 거리(시간으로 환산)를 측정할 수 있다. 고급 TDR이라면 100ps 이하의 시간 분해능을 갖는다. 거리 분해능으로 환산하면 30mm 이하가 된다.

 

 

그림 22(a)는 TDR의 원리이며, 그림 22(b)는 길이 L에서 끝개방 50Ω 동축 케이블을 측정했을 때의 파형 이미지이다.

 

6. 교류 신호의 경우

 

직류 신호라면 케이블 길이가 극단적으로 긴 경우를 제외하고 특성 임피던스를 고려할 필요가 없다. 그러나 교류 신호인 경우에는 신호의 전압이나 극성이 시간에 따라 변화한다. 그 주파수가 높아지면(파장이 길어지면) 케이블의 길이를 무시할 수 없게된다.

 

 

만약 케이블 길이가 긴 교류 회로에서 반사파가 있으면 송신점 전압 혹은 극성이 바뀐 후 반사파가 돌아오게 된다. 케이블 내에서 진행파(신호원으로부터의 신호)와 상호 간섭하여 반사점에서 거리에 따라 케이블내의 전압이 올라가거나 내려가는 현상이 발생한다. 정확하게 말하면 포락선이 변동하는 것으로 이것을 정재파라고 한다(그림 23).

정재파가 발생하면 부하에 소정의 전력을 공급할 수 없게 되거나 파형이 흐트러진다. 이것은 아날로그 회로에서만 문제가 되는 것은 아니다. 디지털 회로에서 파형이 흐트러지면 비트 오류가 발생한다. 디지털 회로라고는 해도 동작속도가 빨라지면 임피던스 매칭이 중요해진다.

 

동축 커넥터라고 해서 모두 고주파에 사용할 수 있는 것은 아니다

 

1. 임피던스가 맞지 않으면 전송 효율이 떨어진다

 

고주파 신호를 전송하기 위해서는 신호원, 신호선, 부하의 임피던스를 맞추는 이른바 임피던스 매칭이 중요하다. 만약 임피던스가 맞지 않으면(매칭되지 않으면) 그 경계에서 반사파가 발생하고 신호 전송 효율이 떨어진다.

 

2. 동축 케이블이 50Ω이면 동축 커넥터도 50Ω

 

대표적인 전송 선로로 동축 케이블이 있다. 외부 도체 안쪽 지름과 내부 도체 바깥 지름의 비 및 절연체의 비유전율에 따라 경로의 임피던스가 결정되고, 많은 경우 50Ω이 사용된다. 동축 케이블 접속에는 동축 커넥터를 사용한다. 당연히 동축 커넥터의 임피던스는 동축 케이블과 동일하게 한다.

 

3. 많이 사용되는 BNC 커넥터에는 부실한 제품이 있다

 

많이 사용되는 고주파용 커넥터 중 BNC 타입이 있다. 임피던스는 50Ω(75Ω인 것도 있다)이며, 최고 사용 주파수는 2G∼4GHz 정도이다. 소형이어서 접속이 간단하므로(원터치 잠금) 다양한 용도에서 사용되고 있다.

특히 계측기 분야에서는 고주파라고 부를 수 있는 주파수대에서 반드시 사용되고 있다. 예를 들면 오실로스코프, 저주파 발진기나 레벨계 등이다.

BNC 커넥터 중에는 낮은 주파수에만 사용하는 것을 전제로 하여 공작에는 부실한 것이 있으므로 주의가 필요하다. 가격은 저렴하지만 높은 주파수에서 사용하면 반사파가 발생해 버린다.

 

4. 구별 방법

 

(1) 내부 도체가 사각

 

 

우선은 잭 측의 심선 구조를 살펴보자. 그림 24(a)와 같이 고주파용 내부 도체는 둥근 형태이지만, 그림 24(b)와 같이 사각(발췌하여 가로로 보면 포크형)인 것이 있다.

동축 케이블의 중심 도체는 원형이므로 정확한 임피던스 매칭을 잡을 수 없다.

(2) 그라운드 측 단자가 가늘다

 

 

사진 7(a)과 같이 외부 도체(그라운드 측)가 가는 단자로 되어 있는 것은 낮은 주파수용이라고 생각하면 될 것이다. 외부 도체가 절연되어 있는 것은 이와 같은 타입이 많다.

(3) 분기 어댑터

사진 7(b)과 같은 분기 어댑터는 단순히 분기되어 있으므로 임피던스 매칭을 잡을 수 없다. 즉, 낮은 주파수에서만 사용할 수 있다.

 

5. 부실 BNC라도 150MHz 정도까지는 사용할 수 있다

 

BNC 커넥터의 동축 부분 길이는 대략 20mm 정도이다. 이에 비해 신호 파장이 충분히 긴 경우에는 임피던스가 다소 달라도 무시할 수 있다.

예를 들면 파장이 20mm의 100배 이상, 즉 주파수가 150MHz 이하인 신호라면 부실 BNC라도 충분히 사용할 수 있다.

낮은 주파수에서만 사용할 수 있다고는 해도 150MHz 정도까지는 사용할 수 있기 때문에 용도에 따라서는 고주파에서도 사용할 수 있다고도 할 수 있다.

또한, 분기 어댑터의 경우에는 분기선 길이에 따라 영향 정도가 달라지므로 분기의 한쪽은 신호 파장에 비해 충분히 짧게 해서 사용한다.

 

6. 동축 커넥터의 한계 주파수

 

동축 커넥터의 크기(외부 도체의 안쪽 지름)에 따라 사용할 수 있는 주파수 높이에 제한을 받는다. 이 주파수를 한계 주파수라고 한다(동축 케이블도 동일).

한계 주파수는 절연체의 비유전율에 따라서도 달라지며 동일한 안쪽 지름이라면 절연체의 비유전율이 작을수록 한계 주파수가 높아진다.

BNC 커넥터의 외부 도체 안쪽 지름은 약 7mm이므로, 계산상 한계 주파수는 15GHz 정도(불소수지 절연인 경우)가 된다. 실제로는 메이커 제품 대부분 사용 주파수를 2G∼4GHz정도로 하고 있다.

 

IC와 트랜지스터는 내부가 의외로 뜨겁다! 내부 온도 계산 방법

 

 

IC와 트랜지스터 내부에는 반도체 칩이 들어 있다. 이 반도체 칩 온도 T_J(정션 온도)는 패키지 온도와 주위 온도 T_A보다 일반적으로 몇십℃나 높다. 소비전력이 크면 100℃를 넘어서 의외로 간단히 파괴된다. 온도 상승은 T_J에 따라 결정된다.

 

1. IC는 열에 약하다

 

베테랑 엔지니어에게는 필요 없는 얘기일지 모르지만 IC는 열에 약하다. 보존 온도 최대 150℃, 동작 온도 최대 125∼150℃ 정도가 데이터시트에 기재되어 있는 전형적인 수치이다. 모두 끓는 물보다 높고 주석납 공정 땜납의 융점에 육박하는 온도이다. 그렇다고 해서 IC를 단순히 그 온도까지 사용할 수 있다는 말은 아니다.

 

2. IC 안에 있는 칩 온도 T_J를 체크하자

 

동작 시의 상한을 나타내는 온도는 Operating Junction Temperature(동작 접합부 온도)라고 표기된다. 접합부 온도란 내장 IC 칩의 온도이다. 메이커에서는 특수한 칩 등을 사용하여 측정하는 것 같지만 상세한 내용은 밝히지 않고 있다. 일반 사용자의 경우 측정할 일이 없다.

 

3. 열전달의 용이성을 나타내는 열저항

 

 

열은 파악하기 어려운 면이 있다. 이것을 생각하기 쉽게 하기 위해 열저항이라는 파라미터가 존재한다. 열은 온도가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 이동한다. 이동 속도는 절단되는 물질의 상태에 따라 다르지만 온도차가 없어졌을 때 멈춘다. 이것을 전위가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 전류가 흐르는 모습으로보고, 열 흐름의 용이성을 나타내는 파라미터로서 정한 것이 열저항이다(그림 27).

점 두 개의 온도가 T_J, T_A(T_J ＞ T_A)이며 그 사이를 흐르는 단위시간당 열에너지가 P_D일 때 열저항 θ_JA는 다음과 같다.

θ_JA[℃/W]＝(T_J－T_A)[℃]/P_D[W]

따라서 고온 측 온도는 저온 측 온도와 열저항 및 PD를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다(그림 28).

 

 

T_J＝T_A＋θ_JA×P_D

T_J : 정션 온도[℃] 
T_A : 실온[℃]

P_D : 소비전력[W]

θ_JA : 정션-대기간 열저항

물리적으로는‘P_D에 의한 발열로 온도가 θ_JA×P_D℃ 상승한다’고 기억해 두면 이해하기 쉬울 것이다.

 

 

단독 트랜지스터 등을 몇 W까지 허용할 것인지 나타내는 손실 경감 곡선(딜레이팅 곡선)도 θJA에서 정해진다(그림 29). 온도에 따라 허용할 수 있는 소비전력이 다르다.

 

4. 계산 예 : 내부는 의외로 뜨겁다는 것을 알 수 있다

 

다음과 같은 3단자 레귤레이터로 실제 IC 내부의 반도체 칩온도 T_J를 계산해 본다.

입력 전압 V_in＝12V

출력 전압 5V

출력 전류 I_o＝100mA

θ_JA＝60℃/W

T_J(max)＝125℃

 

P_D＝(V_in－V_o)×I_o＝(12V－5V)×0.1A＝0.7W

T_J＝θ_JAP_D＋T_A,

T_J－T_A＝θ_JA×P_D＝60℃/W×0.7W＝42℃

실온에 대해 반도체 칩은 온도가 42℃ 상승한다. T_J(max)＝125℃에서 역산하면 실온이 다음 식과 같을 때까지 계산상(이론상)으로는 괜찮다.

T_A＝T_J－θ_JA×P_D＝125℃－42℃＝83℃

그러나 출력 전류가 2배(I_o＝200mA)일 때 소비전력 P_D도 2배가 된다. 허용되는 실온은 다음과 같다.

T_A＝T_J－θ_JA×P_D＝125℃－84℃＝41℃ 이 계산은 통풍 조건이 없고 주위온도 T_A가 일정하게 유지될 경우의 값이며, 실제로 IC의 발열과 함께 주위온도도 상승하게 된다. 여유를 더 갖고 설계해야 한다.

(1) 손실 경감 곡선(딜레이팅 곡선)

열저항 설명에서 전력 손실 P_D와 열저항(θ_JA)에 의해 실온을 기준으로 한 칩 온도 상승이 발생한다는 것을 알 수 있다. 반대로 말하면, 칩 온도(정션 온도)의 최대값 T_J(max)를 한계라고 생각한 경우의 전력 손실 상한값은 실온에 의해 작아진다는 것을 알 수 있다. 이것을 나타낸 것이 그림 29의 손실 경감 곡선이다.

 

 

데이터시트의 조건은 실온 T_A＝25℃로 설정되어 있는 경우 가 대부분이다. 이 조건을 준수하는 것은 어려워 이보다 높은 T_A에서 동작시키는 경우가 많을 것이다.

데이터시트 그래프에서 구체적으로 검토해 보면 온도 상승을 동반하는 P_D의 상한값 저하는 매우 까다롭다는 것을 알 수 있다.

 

5. 방열기를 사용할 경우에는 케이스 온도도 정의된다

 

 

θ_JA(정션-대기간 열저항)는 IC의 데이터시트에도 기재되어있다. 방열기를 사용하지 않는 IC를 고찰할 때에는 앞에 나온식에 그대로 대입할 수 있다. 방열기를 사용할 경우에는 θ_JC(정션-케이스간 열저항)라는 파라미터를 사용한다(그림 30). TO-220형 등 방열기를 사용하는 패키지의 IC에는 규정되어 있다.

패키지에서 대기로 날아가는 열 등이 없다고 했을 경우의 정션 온도는 대략 다음과 같다.

T_J≒T_A＋(θ_JC＋패키지 방열기간 열저항＋방열기 대기간 열저항)×P_D

 

필름 콘덴서에서 핫과 콜드의 차이

 

필름 콘덴서의 핫과 콜드를 반대로 하면 어느 정도 차이가 발생할까. 콘덴서(0.47㎌) 표면에 폭 10mm의 동박 케이블을 감고, 그림 A와 같은 구성으로 동박에 유기되는 전압을 측정해 보았다. 결과는 표A와같다.

 

 

콘덴서의 콜드측(바깥쪽 전극)을 그라운드에 접속하면 역접속에 비해 유기전압이 1/2(－6dB)에서 1/3(－10dB)로 된다. 실제 회로에서 이 수치가 회로성능에 어느 정도 영향을 주는지는 경우에 따라 다르지만, 차이가 있는 것은 확실하다.

 

출처: http://www.hellot.co.kr/new_hellot/search/search_magazine_read.html?idx=11195