이것만 알면 '전자회로' 과목 A 학점!-1편

여기서는 전자회로 공부를 막 시작하신 분들에게 도움을 주고자 합니다.

제가 석사 생활을 하면서 2년 동안 전자회로 과목의 조교를 맡았습니다. 이 때 터득한 공부 팁에 대해 공유하고자 합니다. 저희는 다음의 교재를 사용하였습니다.

 

 

대부분의 전자과 학생들이라면 모두 아실만한 교재일겁니다.

 

 

조교 활동을 하면서 학부생들에게 정말 많은 전자회로 관련 질문들을 받았었습니다. 이 때 받은 질문들 중, 많은 비율을 차지 했던 부분에 대한 이론을 공유할 예정입니다. 그리고 전자회로 공부를 시작하기 앞서 알고 있으면 도움이 될만한 것들에 대해 알려드리겠습니다. 그리고 수업 때 잘 다루지 않는 전체적인 회로 설계 flow 에 대해 말씀드리려 합니다.

 

 

디테일한 전자회로 이론에 대한 것은 책에 더 자세히 나와있고, 훨씬 정확하니 제가 깊게 다루지는 않겠습니다. 

여기서는 간단한 공부 팁에 대해 알아가신다고 생각하시면 좋을 것 같습니다.

 

 

 

제가 팁에 대해 생각날 때마다 이곳에 들려 글을 작성할 예정이기에, 글들이 두서 없이 작성되고 순서가 없을 수 있다는 점 양해 부탁드립니다^^

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오늘은 다음 회로 구성에 대해 말씀드리려 합니다.

 

간단한 Common source amplifier 회로도입니다.

 

우선, Amplifier 는 DC biasing 를 필요로 합니다. Gate, Source, Drain 노드에 적절한 DC 전압을 인가하여 M1 의 region 을 정해주는 것입니다. 위의 증폭기를 saturation 영역에서 동작시킬 것이냐, triode 영역에서 동작시킬 것이냐, turn off 영역에서 동작시킬 것이냐를 정한다는 얘기입니다. 사실 turn off 영역에서 동작시킨다는 것은 말이 안되겠지요ㅎㅎ

 

이와 같은 biasing 과정을 진행하기 위해서 R1, R2 등등의 값 들을 적절히 조절합니다. 

 

Vsig 는 증폭기에 들어가는 인풋입니다. 즉, 위의 회로도(증폭기)의 임무는 Vsig 신호를 증폭시켜 CL 에 전달하는 것입니다. 여기서 중요한 것은 제가 빨간색 동그라미로 표시한 CL 입니다. 이것은 Loading 에 대한 정보를 의미하는 것입니다. 즉, Loading effect라 얘기를 하고, 이에 대해 다음 문단에서 더 자세히 말씀드리겠습니다.

 

증폭기란 무엇인가요? 들어온 인풋을 아웃풋 노드로 증폭시키는 것이지요. 즉, 아웃풋으로 나온 정보를 누군가 사용한다는 의미입니다. 그냥 별 의미없이 증폭기를 두진 않을테니깐 말이죠. 그 누군가는 또 다른 증폭기 일 수도 있고, ADC 라는 또 다른 block 일 수도 있고, 측정 장비의(오실로스코프) 인풋일 수도 있고, 경우의 수는 다양합니다. CL은 이러한 것들의 인풋 capacitance 값을 의미합니다.

 

 

#CL값을 왜 알아야 할까요? 그리고 정확히 무엇인가요?

먼저, CL을 포함하지 않고 증폭기를 설계하는 것은 말이 안됩니다. 왜냐하면 결국 증폭기가 동작할 때는 CL이라는 것이 아웃풋 노드에 올 텐데, 오게 되면 증폭기의 성능이 달라지게 되기 때문입니다. 물론, 아주 정확하게 설계를 하려면 CL 대신에 직접 다른 증폭기를 달거나 직접 ADC block 을 단 채로 설계를 진행하는 것입니다. 하지만 이렇게 되면 설계 시뮬레이션의 시간이 굉장히 오래 걸려 비효율적입니다.(회로가 커져 시뮬레이션이 오래 걸립니다.) 그래서 뒤에 올 block 에 대한 정보를 알아와서 CL 값으로 등가화 시켜놓고 증폭기 설계를 진행합니다. 

 

 

#증폭기를 설계할 때의 기준이 무엇인가요?

처음 전자회로를 공부하시는 분들은 이게 정말 애매 할 것입니다.

 

증폭기의 gain 은 클 수록 좋으니 무작정 크게 설계하면 되는 건가?

저항 값은 도대체 얼만큼 주어야 하나?

 

실제로 조교를 할 때에 이런 질문이 굉장히 많이 들어왔습니다. 다음의 예시를 통해 알아보겠습니다. 어느 회사에서 보청기에 들어가는 반도체 칩을 설계하고자 합니다. 여기에는 증폭기도 들어가고 ADC도 들어가고 등등 여러가지 block 들이 들어갈 것입니다. A라는 팀이 증폭기 설계를 맡았다고 예를 들어봅시다. A라는 팀은 증폭기의 뒷 단에 무엇이 오는지 파악하고 이것의 CL 값을 알아와야 합니다. 그리고 보청기를 제대로 동작시키기 위해서는 얼마만큼의 증폭기 gain이 필요한지 파악해야합니다. 또한 반도체 칩에서 증폭기가 차지 할 수 있는 면적은 얼마나 되는지 파악해야합니다. 그리고 보청기의 공급전압(VDD)은 얼마인지 파악해야 합니다. 또한 필요한 증폭기의 동작 속도도 파악해야합니다. 

 

이런 많은 조건들을 토대로 증폭기의 스펙이 결정되고, 이러한 스펙들을 만족하는 증폭기를 만들기 위해 엔지니어들이 머리를 쥐어짜며 설계하게 됩니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

오늘 포스팅 할 것은 여기까지 입니다. 많은 도움이 되셨으면 좋겠습니다. 

다음에도 도움이 될 만한 것들을 가져와보도록 하겠습니다.

 

감사합니다.

 

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제가 말씀드린 것 중에 틀린내용이 있으면 말씀해주세요~~!!