[SPICE기초] C 급 고주파 전력 증폭 회로
앞서 두번에 걸쳐 SPICE 회로 시뮬레이터의 기초 사용법을 살펴봤다. 첫번째 학습은 회로 시뮬레이터 LT-Spice 의 설치와 회로 그리기, 네트리스트(netlist), 시뮬레이션 명령(dot-commands)과 지시자(directives)들을 배웠다. 저항의 분압 회로를 가지고 시간상 전압과 전류의 관찰(transient analysis)하는 기법을 주로 학습 했다.
- 회로 시뮬레이터 LT-Spice 의 설치
- LT-Spice의 창(Window) 종류별 단축키(Hot-Keys)와 제어키(CTRL, ALT)의 용도
- 회로 그리기 창(Schematic Window)
- 파형보기 창(Wave Window) - SPICE의 언어
- 네트리스트(netlist): 회로 기술(description)
- 시뮬레이션 명령(simulation commands)과 지시자(directives)
- DUT 와 Testbench - 시뮬레이션 지시자(Simulation directives/Dot Commands)
.trans 시간축 상의 시뮬레이션 (transient analysis)
.step 변수 사용 반복 실행(parameter weeps)
.measure 사용자 정의 식 측정(evaluate user-defined electrical quantities) - 사용자 정의식 신호발생기(Bhavioral voltage source)
- 사용자 정의 수식(expression)
- 수학 함수 제공(mathematical functions)
두번째 학습은 주파수 성분의 분석 기법에 대해 다뤘다. 컨덴서와 코일이 포함된 회로는 교류신호를 다루게 된다. 회로의 주파수 특성을 살피는 AC 분석(AC analysis) 시뮬레이션 명령을 배웠다. 아울러 퓨리에 변환(FFT)을 통해 시간상으로 관찰된 출렁이는 신호에서 주파수 성분을 분석하고 불필요한 주파수 성분은 제거하는 필터 회로도 다뤘다.
- Impedance: 전류의 흐름을 제한
- Resistance: 전류제한. 교류, 직류 구분 없다.
- Reactance: 교류에 대한 전류제한. 주파수 특성을 가진다.
(컨덴서와 코일이 보여주는 저항) - 인덕터와 커패시터가 보여주는 주파수 특성
- Inductive Reactance
XL = 2πfL
- Capacitive Reactance
XC = 1/2πfC - 인덕터와 커패시터의 조합
- R-L-C Filter
- Resonance: XL = XC
f = 1/2π√(LC) - SPICE 시뮬레이션 명령
.AC 주파수 특성 시뮬레이션
.PARAM 사용자 정의 변수
.STEP 변수 증감 반복 시뮬레이션
.FOUR 퓨리에 분석 (주파수 분석, 고조파 관찰)
다시한번 언급하지만 전자회로는 전압과 전류로 말한다. 전압은 저항에 흐르는 전류로 표현된다. 저항을 제어하여 다양한 신호를 만들어 낼 수 있다는 뜻이다. 전류는 시간상 항상 한방향으로만 흐르는 전류도 있으나 방향을 바꾸는 전류도 있다. 저항(임피던스)으로 시간상 흐르는 량 뿐만 아니라 방향도 변하게 할 수 있다. 교류에 대한 전류의 저항성을 리액턴스라고 한다. 임피던스(impedance)는 레지스턴스(resistance)와 리액턴스(reactance)를 포함한다.
회로 시뮬레이터는 컴퓨터의 도움을 받아 전자회로를 설계하는 과정에서 설계물을 검증 하기 위한 소프트웨어다. 전자회로는 저마다 고유 언어를 사용하여 회로의 동작을 기술하게 되는데 SPICE도 단순하지만 언어체계를 가지고 있다. 이 언어체계에는 설계한 회로의 묘사는 물론 이를 가상으로 작동 시켜보기 위한 장치도 포함된다. SPICE 언어에서는 이를 시뮬레이션 지시자(simulation directives) 또는 쩜 명령(dot-command)이라고 한다. 설계물에 주어질 각종 입력용 전자신호들을 만들어 내고 출력 신호들을 분석할 다양한 수학함수와 도구를 제공한다. 수식을 써서 사용자 정의 신호를 얼마든지 만들어 낼 수 있다. 이는 전자회로의 행동(behavior)을 언어로 표현하면서 얻는 가장 강력한 장점이다. 컴퓨터 언어는 매우 단순하다. 쓸데를 모르는 것을 가지고 쓸줄을 모른다고 탓하지는 말자.
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SPICE 회로 시뮬레이터는 모든 전자회로를 다룰 수 있다. 학습 세번째 시간에는 그중 증폭회로의 예를 보기로 한다.
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정성적으로 알아보는 트랜지스터 동작원리
먼저 아래 그림을 보자.
맨 왼쪽 그림: 스위치를 켜면 전구에 불이 들어오지 않는다. 전구는 내부저항(RL)이 있지만 접지로 가는 선에 저항이 없어지기 때문이다. 전기가 모두 전구라는 저항을 넘기보다는 스위치로 흐른다. 소위 '쇼트(short)'난 셈이다. 스위치를 떼면 전구에 불이 켜지고. 그런데 스위치를 누르면 '쇼트'나서 전류가 무한대 ∞로 흘러 전원장치가 난리 나겠지.
왼쪽에서 두번째 그림: 그래서 저항 R0을 달아 주자. 쇼트 나면 거기서 열이 펄펄 나는데, 전류가 무한정 흐르지 않게 막고 있다. 이때 스위치에 달아준 R0가 전구의 저항보다 작아야 한다(R0<RL). 만일 저항 R0가 전구의 저항 RL보다 아주 많이 크면(R0>>RL) 스위치를 눌러도 전기는 전부 전구로 간다. 전기가 R0를 넘기보다 RL을 넘기 수월할 테니까.
왼쪽에서 세번째 그림: 이번에는 스위치 대신 가변저항을 달아 놓기로 하자. 가변저항을 손가락으로 돌려서 0옴에 놓으면 쇼트 시키는 셈이다. 저항을 높여 놓으면 스위치를 뗀 셈이고. 그럼 손가락 놀림을 부드럽게 시계방향 또는 반시계 방향으로 돌려 보자. 그럼 전구의 밝기도 같이 변할 것이다. 왼쪽에서 네번째 그림처럼!.
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트랜지스터(transistor)라는게 있다더라. 이게 돌덩이 세개를 붙여 놓은 것인데 당연히 전기가 통하지 않는다. 그런데 이 돌멩이가 전압을 주면 갑자기 미쳐서 전기가 통한다네? 이 미친 돌멩이를 반쯤 '미친' 도체라고 '반도체'라고 한단다. 암튼, 조건만 맞으면 전류가 통한다. 영어로는 트랜시언트(transient) 하게 만들어 준다고 트랜지스터ㄷ라고 부른다. 이 조건이란 것이 전압인데 '조건맞춘 전압' 을 영어로 바이어스(bias) 전압이라고 한다. 전압차를 주어 한쪽으로 전류를 끌어당겨주는 전압이란 뜻이다. 어쨌든 트랜지스터는 가변저항을 대체하는 물건이다. 그대신 손가락으로 돌리는게 아니고 전압으로 저항을 조절 할 수 있다.
트랜지스터를 기호로 표시한게 왼쪽 아래 그림이다. 별것 아니다. 가변저항이랑 똑같은데 B 라고 표시한 곳에 바이어스 전압으로 C 랑 E 사이의 저항을 바꿔준다. 그럼 먼저 그림에서 가변저항 대신 이 트랜지스터로 바꿔 그려보자.
두번째 그림이다. 그리고 전압으로 저항을 조절 한다고 했으니까 Vin으로 표시 하자. 트랜지스터란 물건은 아주 작은 전압에도 가변저항치를 조절 한다. 대단하지? 그래서 저 트랜지스터 발명한 사람이 노벨상도 타고 그랬다.
왼쪽에서 세번째 아래 그림 처럼 Vin을 변화시켜 보자. 바이어스 전압이 높으면 C 와 E 사이에 저항이 낮아져 도통되고 전압이 낮으면 C와 E 사이에 저항이 아주 높아져서 끊어진 셈이 되니 전구가 밝아지겠지? 그러니까 밝기랑 Vin이랑 반대네?
만일 가변저항이었다면 손으로 얼마나 빠르게 돌릴것이며 아름답게 돌릴 수는 더더욱 없다. 사인파를 초당 수만회에서 수백만회씩 돌려댈 수 있겠냐고! 그런데 Vin의 전압을 빠르게 변화 시키고 사인 곡선처럼 아름답게 할 수 있다고 하자. 그리고 Vin은 0~0.5볼트인데 그보다 훨씬 큰 Vout은 0~5볼트를 낼 수 있다. 결국 전압이 열배나 늘었네? 뭐겠어? 증폭이다. 이게 바로 트랜지스터 증폭의 원리다.
근데 말이지. 전구를 밝기는 전압만 있는게 아니고 전류도 있지. 말하자면 허우대 멀쩡한데 삐쩍 말라서 힘을 못쓸 수도 있잖아. 허우대 멀쩡을 전압이라고 하면 근육질을 전류라고 하자고. 그럼 힘을 내는데 두가지 요인이 필요하지. 전압과 전류야. 밝기를 결정할 요인이 두가지로 늘었네? 이래서 저항으로 분압이 어쩌네 흐르는 전류가 어쩌네 따지기 시작하면 골치 아퍼져. 그러니까 우리 문돌이들은 공돌이 한테 떠맞기자고. 근데 말이지. 그림에서 세번째 위아래를 봐바. 파형이 반대지? 이래서 증폭회로는 위상이 반대니 어쩌니 그런말을 하는거야.
그리고 말이지. 그림을 보니까 전압이 0 에서 5V 사이를 왔다갔다 하네? 우리가 알기로는 자연계는 플러스 전압과 마이너스 전압을 오락가락 해야 한다며? 그래서 난리 안난다며? 근데 왜 0~5V 사이에만 있지?
플러스 전압과 마이너스 전압을 왔다리 갔따리 하는 걸 AC 라고 하지. 왔따리 갔다리를 영어로 alternate 라고 한다네? 그래서 전류가 왔다리 갔따리 한다고 AC, alternating current 라고 한대. 근데 마이너스는 없고 플러스에서 전압이 요동치는 건 AC 가 아니잖아? 그것은 한쪽 전압에서 요동치는 거잖아? 한쪽 전압에서 전류가 흐른다고 DC, direct current 라고 한다네. 근데 자연으로 뻗칠라믄 AC 여야 한다니까 DC 에서 요동치는걸 AC 로 요동치게 바꿔줘야 하는데 어떻게? 그때는 컨덴서라는 물건을 동원하지. 케페시터(capacitor)라고도 한다데. 전압이 플라스로 올라가면 충전했다가 0으로 떨어지면 방전하고 그러는 신기한 물건이라고. 컨덴서(condensor)나 커페시터나 다 영어인데 커페시터를 영어사전에서 찾으면 컨덴서 또는 축전지라고 나와.
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트랜지스터 증폭 회로의 동작특성 실험 [링크]
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트랜지스터 증폭기의 종류와 특성 실험 [링크]
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라디오 전파 C 급 증폭기 (SPICE 회로 시뮬레이션) [링크]
라디오 전파 C 급 증폭기 (실전) [링크]
- 트랜지스터
- 공진회로
- 공진회로의 Q-factor
- 임피던스 매칭
- 스미스 차트 활용 [링크]
- LC 필터 설계 툴 [링크]
[참고] Free On-Line FIR Filter Design [링크]
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필터: 아날로그 vs. 디지털
[무선통신 시스템 설계] 1강. 기본 정의(Basic Definitions) [링크]
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