[전자 회로의 기본]
전류(Current)
⊙ 전하의 이동, 단위 시간(1초) 당 이동한 전하량
⊙ 단위 : [A] (Ampere, 암페어)
⊙ 1A = 1초 동안 1C의 전하가 통과하는 것
전류의 방향
⊙ + 방향 : 양전하가 이동하는 방향(전자 이동의 반대 방향)
⊙ - 방향 : 음전하가 이동하는 방향
⊙ 전류는 전압이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐름
전압(Voltage)
⊙ 전위(potential) : 전기적 위치 에너지
⊙ 두 지점 간의 전위차
⊙ 두 지점 사이에 반드시 전위차인 전압이 있어야 전류가 흐를 수 있다.
⊙ 전하를 이동시키는 힘, 전류를 흘리는 힘
⊙ 단위 : [V] (volt, 볼트)
⊙ 1V = 1C의 전하를 1J의 에너지로 이동시킬 수 있는 전위차
저항(Resistor)
⊙ 어떤 물질의 비저항을 ρ, 길이를 L, 단면적을 A라고 할 때, 저항 R의 크기
⊙ R = ρ * L/A
⊙ σ = 1/ρ (σ = 전기 전도도)
Ohm's Law
⊙ V = IR
⊙정상 상태에서의 저항은 그 양단에 가해준 전압에 비례하는 전류가 흐르게 된다.
Kirchhoff's Law
<제 1법칙>
: KCL
: 임의의 회로망에 있어 어떤 회로망의 접속 점(Node)에 유입되는 전류의 합은 유출되는 전류의 합과 같다
li1 + li2 + li3 = lo1 + lo2 + lo3
<제 2법칙>
: KVL
: 임의의 회로망의 폐 회로게 있어, 각 부품에 걸리는 전압을 일정 방향으로 합쳐나가면 그 총합은 '0'이 된다.
V1 + V2 + V3 + V4 + .... = 0
인덕터(Inductor)
: 전선에 전류가 흐르면 자기장이 만들어지며 이러한 자기장을 수학적으로 다루기 위하여
자기력선을 정의하였고, 이 선은 전선을 중심으로 동심원을 그린다.
▶ 암페어의 오른 나사 법칙
⊙ 인덕터(=coil)
: 전류의 자기 작용을 효과적으로 나타나게 만든 소자
- 대표적인 사용처 : 변압기나 전동기에 사용되는 규소 강판
- 솔레노이드 : 원통형 기동의 틀에 도선이 나선형으로 빽빽하게 감겨 있는 인덕터
⊙ 인덕턴스
: 인덕터가 가지고 있는 성질,
이 값의 단위는 [H](henry)를 사용하고
모든 wire에는 인덕터 성분이 존재한다.
패러데이(Faraday)의 법칙
: 인덕던스 L[H]인 인덕터에 전류 i[A]가 흐르면, 그 양단에 전압이 유도되며
이 전압은 전류가 흐르는 것을 방해하기 때문에 역기전력 또는 유도기전력이라 부른다.
맥스웰 방정식
| 법칙 | 미분형 | 적분형 |
| 가우스 법칙 |  |
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| 가우스 자기 법칙 |  |
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| 패러데이 전자기 유도 법칙 |  |
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| 앙페르-맥스웰 회로 법칙 |  |
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⊙ 가우스 법칙
: 어떤 공간에 있는 전기장(D) 밀도의 Divergence(▽*)는 그 공간에 있는 전하밀도(ρ)와 같다.
⊙ 가우스 자기 법칙
: 어느 공간에서 Divergence를 했을 때, 자기장이 존재하지 않는 이유는 자성은 항상 N극과 S극이 함께 있어 서로 상쇄되기 때문이다.
⊙ 패러데이 전자기 유도 법칙
: 자석이 코일에 가까워지면 시간에 따라 코일이 위치한 공간의 자력선은 증가하고, 이로 인해 전기장이 발생하여 전류가 흐른다.
⊙ 앙페르-맥스웰 회로 법칙
: 어느 공간에서 전기장의 시간에 따른 변화는 자기장을 생성한다.
커패시터
⊙ 두 개의 금속판 사이에 절연 재료로 만들어진 유전체를 샌드위치처럼 끼워넣은 회로 소자
⊙ 커패시터는 콘덴서(condenser)라 부르기도 하며, 회로에서는 전하를 저장하는 역할을 한다.
⊙ C : 얼마만큼 차징이 되느냐?
커패시터의 기능
1. 백업
배터리로서의 기능을 이용하여 전원 순단 시, 및 IC의 구동 스피드가 급격히 빨라짐에 따라 부하전류가 증가한 경우
전원으로부터의 라인 전압이 강하하여 IC의 오동작을 초래하는 경우가 있다.
이를 방지하기 위해 전원 라인 정상 시에 커패시터가 축적해 놓은 전기를 IC 측에 공급하여 전원 라인 전압을 일시적으로 유지한다.
2. 디커플링
교류가 흐르는 특성을 안정된 직류 전압으로 공급하기 위해,
전원 라인에 중첩되는 외부로부터의 유도 노이즈 또는 고속 회로 구동에 의한 고주파 노이즈를 제거하는 기능
일반적인 전원 회로에서 사용 가능하다.
▶ 직류 전압만 공급
3. 커플링
전단 회로의 직류 바이어스 전압을 제거하여 교류 신호 전압만 후단 회로에 전달한다.
일반적인 오디오 회로에서 사용된다.
▶ 교류 전압만 공급
시상수
⊙ 전기 공학적 개념으로 어떤 작용(전류가 될 수고, 전파가 될 수도 있고 그 외의 것이 될 수도 있다.)이
63.2%에 도달할때까지 걸리는 시간을 의미한다.
⊙ Time Constant, 시정수라고도 불리며, 기호는 τ 를 쓴다.
PSpice를 활용한 회로의 각 소자에서의 값 계산
굳이 하나하나 계산할 필요없다.
회로만들고 Bias point로 시뮬레이션 돌리면 끝
[중첩의 정리]
1. 전압원과 전류원
1) Ideal 전압원
- 임의의 회로에 일정한 전압을 공급하는 소자
- 부하 변동에 무관하게 일정 전압 공금
- Ideal 전압원의 등가 저항(내부 저항)은 0Ω
2) Ideal 전류원
- 임의의 회로에 일정한 전류를 공급하는 소자
- 부하 변동에 무관하게 일정 전류 공급
- Ideal 전류원의 등가 저항(내부 저항)은 ∞Ω
- 전압원(Voltage Source)은 단순 직류 전압원(VDC)뿐만 아니라 전압 신호원(Vsin, Vpulse)과 기타 종속 전압원도 등가 저항이 0Ω이다.
- 전류원(Current Source)의 경우도 단순 직류 전류원(IDC)뿐만 아니라 전류 신호원과 종속 전류원도 등가 저항이 ∞Ω이다.
- 전류원은 전압원과 직렬 구성의 저항으로 대체 가능하고, 전류원은 존재하는 부품이 아니며, 개념적인 소자이다.
▶ 실제는 전압원과 직렬 저항 구성으로 대체한다.
2. 중첩(Superposition)의 정리
2개 이상의 Source로 구성되는 회로에서
계산 대상의 신호원을 제외한 전압원은 Short, 전류원은 Open 처리하여 계산한 값들의 합으로
특정 지점의 전압 또는 전류 값을 구할 수 있다.
(전압원은 0Ω, 전류원은 ∞Ω으로 처리)
[테브닌-노턴 등가 회로]
Thevenin 등가
: 임의의 회로에서 회로 내 특정 두 당자를 기준으로 하나의 등가 전압원과 등가 저항으로 변환하는 단순화 기법
(등가 전압원과 등가 저항은 직렬 구조)
⊙ Vth : 기준이 되는 두 단자 사이의 전압 측정값(두 단자간은 Open)
= Open Circuit Voltage(Voc)
⊙ Rth : 기준이 되는 두 단자를 기준으로 회로 쪽으로 바라본 등가 저항값
이 때, 모든 전압원과 전류원은 등가적으로 치환
Norton 등가
: 임의의 회로에소 회로 내 특정 두 단자를 기준으로 하나의 등가 전류원과 등가 저항으로 변환하는 단순화 기법
(등가 전류원과 등가 저항은 병렬 구조)
⊙ In : 기준이 되는 두 단자 사이의 측정 전류 값(두 단자간읜 Short)
= Isc(Short circut Current)
⊙ Rth : 기준이 되는 두 단자를 기준으로 회로 쪽을 바라본 등가 저항의 값
이 때, 모든 전압원과 전류원은 등가적으로 치환
※ Thevenin & Norton 등가는 보이지 않는 임의의 회로(IC 출력단)를 추정하는데 쓰이는 해석
Vth = 4.5V - 1.5V = 3V
In = 1mA
∴ Rth = Vth / In = 3.0 kΩ
[임피던스]
임피던스
임피던스란?
순수 저항 소자에 있어서, 저항 값은 저항이라고 하지만 포괄적인 의미의 저항을 임피던스라 한다.
즉, 콘덴서 / 코일 / 저항을 포함하여 교류에 대한 저항을 임피던스라 한다.
= 부하(Load)
| 구분 | 임피던스 | 저주파 | 고주파 |
| Resistor | R | 일정 | 일정 |
| Coil | sL = jωL | 저항 작아짐 | 저항 커짐 |
| Condenser | 1/sC = 1/jωC | 저항 커짐 | 저항 작아짐 |
s : s파라미터, ω = 2ℼf : 각 주파수
임피던스 매칭
: Impedance Transformer
적절한 load가 걸리도록 입력단과 출력단의 임프던스를 정했했고 그 것이 다른 회로단과 연결될 때,
연결 부위의 load(임피던스)가 다르면 신호의 반사(Reflection)이 발생하게 된다.
이로 인해 손실이 발생되고 회로의 성능이 제대로 발휘되지 못하여 출력이 최대로 전달되지 않게 된다.
위와 같은 문제를 해결하고 입력된 신호가 손실없이 최대한 전달되도록 하는 것이 임피던스 매칭이다.
※ 스미스 차트 궤적 이동
위와 같이 궤적이 원을 따라 위로 올라가면, 매칭단에 인턱터 L 소자를 추가하고
궤적이 원을 따라 아래로 내려가면 C 소자를 추가하라는 의미가 된다.
여기서 각각의 원들은 저항R의 좌표계를 의미하며, 하나의 같은 원주상에서는 R 값이 동일하다는 뜻이다.
따라서 하나의 인덕터나 커패시터를 추가할 때,
L이나 C값만 변화할 뿐 R값은 변화하지 않으므로 궤적은 항상 시작점과 같은 동일한 상수 저항원을 따라서 돌게 된다.
자세한 사항은 아래 링크 참조
http://www.rfdh.com/bas_rf/begin/smith4.htm
임피던스 매칭 - lumped RLC
이제 본격적으로 스미스차트를 이용한 임피던스 매칭에 대해 공부해보겠습니다. 이것은 크게 RLC lumped 소자를 이용한 매칭과, Microstrip과 같은 전송선로를 이용한 매칭으로 나누어집니다. 우선 RL
www.rfdh.com
예시
예제
: 아래 조건의 회로에서 Digclock 출력 단(out)을 기준으로 한 테브닌-노튼 등가회로를 구하고,
첫 번째 회로에서 R1을 가변하여 최대 전력 전달 조건의 R값과 그 때의 소비 전력을 DC_Sweep으로 측정하여라.
[전압 전달 함수(Av) 구하는 방법]
전압 증폭도 : Av = Zo / Zi
Zi : 입력 측에서 바라본 임피던스(출력 Port open)
Zo : 출력 측에서 바라본 임피던스(입력 Port open)
예제
① 전압 이득(Av) 계산
i) Zi = R1 + R2 = 2k
ii) Zo = R2 = 1k
∴ Av = Zo / Zi = 0.5 -------▶ 1/2 회로
② 입/출력 신호 해석
순수 저항회로이므로, DC 이득과 AC이득이 동일(1/2)하다.
Voff = 1V, VAMPL = 0.5V 신호를 입력하면,
출력은 그 각각의 1/2인, Voff = 0.5V, VAMPL = 0.25V
[R, L, C 단위 소자의 특성]
| INDEX | R | L | C |
| Symbol |  |
 |
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| Impedance | R | sL = jωL | 1/sC = 1/jωC |
| 직류 특성 | 통과 (전류 제한) |
통과 (전류 지연) |
차단 (Edge 영역 통과) |
| 교류 특성 | 저주파 통과 고주파 통과 |
저주파 통과 고주파 차단 |
저주파 차단 고주파 통과 |
| 충전 특성 | 소비(Heat) : P = I²R | 전류 충전 | 전압 충전 |
| 징/병렬 등가 | 직렬 : 증가 병렬 : 감소 |
직렬 : 증가 병렬 : 감소 |
직렬 : 감소 병렬 : 증가 |
| 식 |  |
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| 직렬 |  |
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| 병렬 |  |
 |
 |
R : 주파수와 무관하게 값이 동일하게 감소
L : 저주파는 통과하고 고주파는 차단 ▶ 전압이 인가되면, 역기전력이 발생하여 천천히 충전된다.
C : 저주파는 차단하고 고주파는 통과 ▶ 전압이 인가되면, 순간적으로 충전되고 서서히 방전된다.
