전자회로설계의 필수품 ‘수동 소자’

고성능 프로세서, 엄청난 컴퓨팅 성능을 갖춘 마이크로컨트롤러, 최신 무선 통신 표준을 사용하는 네트워크 디바이스들을 이용해 시스템을 설계하는 것은 매우 까다로운 작업입니다. 하지만 이러한 작업에는 다양한 능동 소자 외에 수동 소자들도 반드시 필요합니다.

-첨단 전자 시스템 설계에 왜 수동 소자들이 필요한지 궁금할 수도 있습니다. 요즘에는 무선 통신이 일반화하면서 기가헤르츠 주파수 대역의 무선 주파수(RF) 신호를 주변에서 쉽게 확인할 수 있습니다. 게다가 전례 없이 작아진 면적에 엄청난 컴퓨팅 성능을 구현해야 함에 따라 일상적인 컨수머 기기에도 높은 클럭 주파수가 사용됩니다. 이는 우리의 주머니와 가방, 거의 모든 곳에 RF가 만연하게 만들었습니다. RF 노이즈에 대한 전자 회로의 민감도를 고려하면, 이는 간섭이 매우 일반적인 상황이라 기계에 오작동을 유발할 가능성이 큽니다.

-그런데도 어째서 오늘날의 첨단 기기들은 문제없이 작동하는 걸까요? 이유는 이렇습니다. 최신 수동 소자들은 민감한 전자장치들을 차폐하고, ‘무선 주파수 간섭(RFI)’이라고 부르기도 하는 ‘전자파 간섭(EMI)’의 영향을 허용이 가능한 수준으로 완화하는 역할을 합니다. 수동 소자들은 제조 기술의 향상 및 첨단 전자기기를 지원하기 위한 기초 물리학 연구 성과와 함께 발전해 왔습니다. 이러한 수동 소자들은 다양한 전자기 장치들과 함께 연동하여 고출력(능동형) 프로세서, 메모리 및 송신기가 최고의 성능을 발휘할 수 있게 해줍니다.

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전자회로설계의 필수품 ‘수동 소자’ (출처: Oskars Bormanis/Shutterstock.com)

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-이상하게도 엔지니어들 사이에서는 수동 소자 결정이 후순위에 놓이는 것이 일반적인 관행입니다. 그저 표준 부품 리스트에서 고르는 정도입니다. 고주파 증폭기, 데이터 컨버터 또는 그 밖에 까다로운 회로를 고를 때와는 다릅니다. 하지만 특정 수준의 성능을 얻고자 한다면 수동 소자를 좀더 깐깐하게 선택할 필요가 있습니다. 이번 포스팅에서는 설계에 적합한 수동 소자를 선택하는 방법에 대해 살펴보겠습니다.

-수동 소자의 역할

저항, 인덕터, 커패시터, 페라이트 비즈, 변압기 같은 수동 소자들은 에너지를 발생하지도, 작동을 위한 전력을 요구하지도 않습니다. 수동 소자에 대한 정의에 따르면, 이들은 전기 신호를 증폭시키지 않고, 회로를 제어할 수 없습니다. 이들 소자는 신호를 감쇠 또는 제어하거나, 위상 편이를 유발하거나, 피드백을 생성할 수 있습니다.

-모든 전자 시스템 안에는 커넥터는 물론 수동 및 능동 소자를 실장하고 있는 인쇄회로기판(PCB)이 있습니다. 디바이스들은 기판 재료(수지 등 비전도성 물질)에 내장되거나 기판 표면 상에 배치되는 전도성 경로를 통해 연결됩니다.

-다음은 소음이나 관련 부작용을 최소화하는 몇 가지 기본적인 PCB 설계 규칙들입니다.

▶ 신호 트레이스는 최대한 얇아야 합니다. 일반적인 노이즈 소스인 용량성 커플링을 줄이기 위해서는 경로의 두께가 8mm 이하인 것이 좋습니다.

▶ 인접한 트레이스들 사이의 간격은 각 트레이스의 폭보다 커야 합니다. 그렇지 않으면, 트레이스 사이에 상당한 크로스토크(cross-talk)가 발생할 수 있습니다.

▶ 90도 회전과 같은 급격한 굴곡은 간섭을 일으키므로 피해야 합니다.

▶ 오실레이터 밑부분에는 트레이스가 없는 것이 좋습니다.

▶ 디지털 회로에 의해 발생하는 고주파 디지털 소음은 모든 종류의 회로에서 오류를 유발할 수 있으므로 디지털 및 아날로그 소자들은 충분한 간격을 두고 떨어뜨려 놓아야 합니다.

-대부분의 일반적인 PCB 설계 도구들은 이러한 규칙 위반을 지적하고 대안을 제시합니다.

-수동 소자 선택 요령

-- 저항

저항은 가장 대표적인 수동 소자입니다. 저항은 임피던스 매칭, 바이어싱에 사용되며, 권선형, 탄소 복합재형, 또는 필름형으로 나뉩니다. 고주파에서는 권선형 저항(기본적으로 와이어 코일)이 유도성이 됩니다. 필름 저항은 고주파에서는 역시 유도성이 되는 얇은 금속 필름 루프들로 구성되지만, 일부 고주파 회로에서는 여전히 사용할 수 있습니다. 저항의 엔드캡(end cap)은 서로 평행하기 때문에 정전용량도 발생합니다. 높은 옴(ohm) 값의 저항은 저항과 병렬로 존재하는 것처럼 보이는 정전용량을 가질 수 있습니다. 고주파에서는, 옴 값이 높은 저항이 임피던스가 낮을 수도 있습니다.

- 커패시터

‘콘덴서’라고도 불리는 커패시터는 유전체에 의해 분리된 두 개 이상의 전도성 플레이트에 걸쳐 에너지를 전하의 형태로 정전기적으로 저장합니다. 전자기기 설계 엔지니어는 커패시터를 사용하여 전원선과 신호선을 필터링 및 분리합니다. 하지만 고주파에서 이들 커패시터는 이상하게 행동하는 경향이 있습니다. 즉, 전해 및 필름 커패시터의 경우 기생 인덕턴스와 공진이 발생하여, RF 성능을 떨어뜨릴 수 있습니다. 기생 저항이 커패시터 플레이트의 저항과 결합될 경우, 실제로 등가 직렬 저항(ESR)을 발생할 수 있습니다. 리플과 노이즈를 없애려면 디커플링 커패시터의 ESR이 낮아야 합니다. 플레이트 크기가 더 작은 세라믹 커패시터는 자기유도성이 낮습니다. 뿐만 아니라 고주파 대역에서 안정성을 제공하며, 집적회로(IC) 디커플링에 적합한 솔루션을 제공합니다. 일례로 뷔르트 일렉트로니크(Würth Electronik)의 고주파 MLCC 시리즈 WCAP-CSRF는 0.20pf ~ 33pF의 용량과 25V_DC ~ 50V_DC의 정격전압을 나타냅니다. 뷔르트 일렉트로니크의 H-칩 알루미늄 폴리머 커패시터 같은 고온 등급의 알루미늄/탄탈 커패시터는 온도와 바이어스 특성이 안정돼 있기 때문에 전원선 디커플링에 적합합니다.

-- 인덕터

또 다른 종류의 에너지 저장장치로는 기본적으로 권선형 디바이스인 인덕터를 들 수 있습니다. 이상적인 인덕터는 에너지를 무한히 저장할 수 있으며 열을 잃지 않는데, 이를 ‘무손실’ 인덕터라고 합니다. 실제로는 인덕터는 이상적인 특성이 없습니다. 각 와이어는 특정 저항값을 갖고 있으며, 권선이 닿으면 기생 공진 커패시턴스가 형성되어 상한 주파수를 제한합니다. 뷔르트 일렉트로니크의 WE-MK 멀티레이어 인덕터 시리즈는 -40°C ~ +120°C의 온도 범위에서 실질적으로 어떠한 인덕턴스 변화가 없는, 열적으로 매우 안정적인 인덕터입니다.

-우수한 성능의 시스템을 설계하는 데 있어서 핵심은 능동 소자와 수동 소자의 올바른 조합을 구현하는 것입니다. 전원 공급 핀에서부터 접지까지 병렬로 연결된 커패시터를 사용하면 노이즈를 최소화할 수 있습니다. 서로 다른 커패시터 값을 병렬로 설정하면 넓은 주파수 범위에서 낮은 AC 임피던스를 구현할 수 있습니다. 수동 소자와 능동 소자의 적합한 조합을 통해 고주파 설계에서 불필요한 기생충을 제거할 수 있습니다.