RF관점에서의 L과C

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ByungJoo Kang
2nd The basic of RF
ByungJoo Kang
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RF관점에서의 L과C
1. L과C를 이해하기 위해서는..
1)
2)
Inductance, Inductor, Coil
Capacitance, Capacitor, Condenser
2. L과 C의 주파수 특성
1)
인덕터의 S parameter
①
2)
캐패시터의 S parameter
①
3)
인덕터는(L값에 따라) 고주파 신호의 통과를 억제
캐패시터는(C값에 따라) 고주파 신호를 더 잘 통과
고주파RF의 관점에서 L과 C
①
②
L (Inductance) : 주파수가 올라갈수록 얼마나
고주파의 흐름을 방해하는가?
C (Capacitance) : 주파수가 올라갈수록 얼마나
고주파의 흐름을 원활하게 하는가?
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RF관점에서의 L과C
1. L : Inductance (인덕턴스)
1)
Inductance L은, 도선에 전류가 흐를 때
그 전류의 변화를 막으려는 성질, 또는 그
정도를 말한다.
1)
Q : 그렇다면 이런 inductance는 어디에
서 발생할까?
①
2)
A : 길이를 가지는 모든 선로에서 발생한
다.
Q : 그렇다면 inductance를 유발시키는
inductor는 어떻게 만들까??
① A : 선로를 길게 만들면 된다.
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RF관점에서의 L과C
1. C : Capacitance (캐피시턴스)
1)
Capacitance C는 단절된 금속사이에서 전류/
전압의 변화가 있을 때만 신호를 통과시키려
는 성질, 또는 그 정도를 말한다.
2)
직류에 있어서는 처음 전압이 인가된 순간에
만 유전체가 분극을 일으키고는 이내 사라지
기 때문에 전기적 신호전달이 불가능하게 된
다.
2. 스미스차트에서의 L과 C
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RF관점에서의 L과C
1.
공진 (Resonance)
1)
2)
2.
특정 주파수에 에너지가 집중되어 해당
주파수만 골라내거나 걸러내는 주파수 선
택 특성이 나타나는 것.
에너지 관점 : L성분과 C성분이 동시에
공존 및 평형상태를 이루고 있는 지점.
필터(Filter)에서의 L과 C
1)
2)
L과 C 성분의 직병렬 조합
원하는 주파수, 감쇄특성
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RF관점에서의 L과C
1. SRF (Self Resonating Frequency)자기공진주파수
1)
2)
3)
특정한 주파수를 넘어가면 특성이 반대로 된다.
L → C, C → L
주파수 점이 공진 점과 같아 보인다.
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RF관점에서의 L과C
1. SRF (Self Resonating Frequency)자기공진주파수
1) L과 C를 사용할때 SRF보다 낮은 주파수에서 사용.
2) 특히 Inductor쪽에서 주의
3) Microstrip으로 L과 C를 구현
L과 C의 S parameter
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RF관점에서의 L과C
1. 인덕터와 캐패시터의 Q
1) 소자의 Loss가 얼마인가?!
① 허수부/실수부
② Q→大, Loss→小
③ SRF는 L과 C의 이용범위를 알수 있는 성능지표
④ Q값은 소자의 품질을 평가할 수 있는 지표
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RF관점에서의 L과C
1. RF에서의 L과 C
1)
2)
3)
4)
5)
Impedance Matching (L, C)
DC Block (C)
RF Choke (L)
Bypass (C)
Degeneration (L,C)
이게 무슨 회로인
지 알아?
크헉, 모르는
데…ㅜㅜ
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발진이 뭐길래?
1.
발진(Oscillation)의 정의
①
②
③
1)
2)
2.
능동회로/시스템에서 입력신호가 없는데 출
력신호가 검출되는 상황
DC신호가 AC신호로 변환되는 것
원하지 않는 주파수대역에서 정체불명의 공
진신호가 뜨는 경우
DC전원이 존재하는 능동회로에서만 발
생하는 현상
발진의 열쇠는 능동소자의 이득에 있다.
그래서 발진을 일으키는 대부분은 증폭
기(amplifier)다.
발진은 어떻게 나타나는가?
1)
2)
3)
Spectrum analyzer에서 보는 발진
단 하나의 이상한 주파수 성분이 검출이
되어도 발진이다!
전류의 불안정
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발진이 뭐길래?
1. 발진은 왜 나쁘지?
1)
발진이 나면 안되는 이유
①
원하지 않는 주파수 및 신호가 발생되어 각종 스퓨어리스
(Spurious:불효파)가 생성
② 원하지 않는 주파수성분으로 인한 전력 소모
③ 원신호의 주파수 이득과 전력감소
④ 신호처리가 가능하다 하더라도 불안정한 전력으로 인해 특성이 일
정하지 않고 흔들린다
⑤ 발진으로 인한 과도한 발진 전력을 생성하면 주변회로나 계측기에
영향을 준다.
⑥ 임의적인 발진으로 인한 회로나 시스템의 동작 불능
2)
발진이 발생한 회로나 시스템은 절대로 사용할 수 없다!
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발진이 뭐길래?
1. 발진이 왜 발생하는가?
1)
2)
발진은 Feedback과 Loop란 개념에서 시작한다!
발진은 항상 이득(Gain)을 가지는 능동회로에서 발생하는 것!
발진 현상
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발진이 뭐길래?
1. Feedback Loop는 왜 생기는가?
1) Feedback Loop란?
① 출력성분이 입력으로 돌아갈 여지가 있는 모든경로
2) 트랜지스터 레이아웃상의 Loop
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발진이 뭐길래?
1) 공통 Ground에 의한 Loop
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발진이 뭐길래?
1) 선로 커플링에 의한 Loop
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발진이 뭐길래?
1. 저주파 발진
1)
왜 발진은 고주파 보다 저주파에서 많이 발생될까?
①
주파수↑- 이득(gain) ↓, 주파수↓- 이득(gain) ↑
② Feedback loop의 길이에 따른 위상관계 발생
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발진이 뭐길래?
1. 저주파 발진이 제일 미워!
1) Intermodulation
2) 100kHz 발진, 900MHz 신호
스펙트럼 애널라이저
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발진이 뭐길래?
1. 발진의 정체를 밝혀졌다!
1)
출력성분이 입력성분으로 돌아갈 여지가 있는 Feedback loop
를 통해 모종의 불안정 미세주파수 성분이 결국 그 loop를 돌
면서 gain을 가지고 하나의 뚜렷한 주파수 출력성분으로 나타
나는 현상
1)
발진의 원인을 규명하는 키워드 : Feedback Loop , Gain
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발진을 잡아라!
1. Stability factor, K
1)
2)
3)
4)
5)
6)
S12 = Feedback을 나타내는 지표
K=1, Feedback에 의해 loop gain
이 발생기준
K>1이면 무조건 안정
(Unconditionally stable)
K<1이면 조건부안정
(Conditionally stable)
전 대역에서 K>1이 되도록 만드는
것을 권장!
결론 : 전 주파수 대역에서 K>1이
되도록 만드는 것이 발진을 잡고
회로를 안정화 시키는 비결!
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: Input stability circle의 반지름크기
: Input stability circle의 중심좌표
: Output stability circle의 반지름크기
: Output stability circle의 중심좌표
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발진을 잡아라!
1. 발진제거의 핵심원리
1) 이득(gain)을 줄여보자!
2) Lossy * gain이 1보다 작게!
① 미세진동신호이 감쇄
3) Loop gain < 1
① 이미 발생된 Loop에서도 발진을 잡는 비
결!
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발진을 잡아라!
1. 저항으로 잡기
① Gain을 줄이는 lossy한 요소로 먼저 생각나는 것
은?
1) 입력에 직/병렬로 저항달기
① 장점 : 매칭성능이 좋아진다.
발진을 제어할 수 있다.
② 단점 : 잡음특성이 나빠진다
LNA(Low Noise Amplifier)에서 사용 불능!
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발진을 잡아라!
1. 저항으로 잡기
1) 출력에 직/병렬로 저항달기
① 장점 : 발진을 제어할수 있다
② 단점 : 출력전력을 그대로 감쇠시킨다.
Power amp에선 사용불능
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발진을 잡아라!
1. 저항으로 잡기
1) 바이어스선로에 저항달기
① 선로의 전류의 양 따라 저항의 삽입 및 값을 결정.
② V=IR에 의거하여 0.01V의 전압강하 발생
③ 0.01V 전압강하??
– 미세 발진신호는 uV단위에서 발동이 된다.
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발진을 잡아라!
1. Negative feedback(부성궤환)
①
②
③
1)
가장 강력한 발진제어 수단
궤환되는 신호가 −값이 되어 입력으로 돌아가는 것
손실요소를 삽입하여 gain을 감소시킨다
Parallel negative feedback (병렬부성궤환)
①
특징 : 고의적인 Feedback Loop를 만들어 발진가능한 신호를 흡수.
저항 값을 낮출수록 발진을 잘 잡기 때문에 K값 증가.
이득(gain)은 항상 반대로 작아진다.
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발진을 잡아라!
1) Series negative feedback (직렬부성궤환)
① L은 DC에게 선로, AC에게는 임피던스Z  2  fL
② 특징 : ground loop에 직접 AC를 막는 임피던스 성분을 추
가.
미세 발진가능 신호가 커지기 전에 제거.
이득(gain)이 작아진다.
③ 이득을 줄이는 대신 각종 발진제어/매칭개선/선형성 증가
1. Negative feedback(부성궤환)
1) TR의 gain을 감쇠시킨다.
2) S12를 감소시킨다.
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발진을 잡아라!
1.
바이패스 캐패시터 (Bypass capacitor)
1)
2)
3)
4)
5)
바이패스(bypass)란 AC를 통과시켜 접지!
C값이 클수록 낮은 주파수의 AC신호를 통과
전원단에서 저주파신호 출력
전원단 잡음제거용 캐패시터는 uF단위
인덕터 또는 λ/4선로를 이용하여 발진 제거
6)
7)
8)
낮은 저주파는 AC저항이 낮아 쉽게 통과
λ의 주파수 이외는 막는 효과가 없다
RF choke이후 병렬 캐패시터를 삽입
①
Low pass trap : 저주파 함정
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발진을 잡아라!
1. 측정상에서 발생하는 발진
1) DUT(device under test)를 측정해도 저주파발진처럼 발견
2) 측정용 DC 전원공급기를 사용시 대용량 탄탈 캐패시
터 연결
3) GND불안정하면 불특정 저주파 잡음이 발생
4) 스펙트럼 분석기로 발진성분 파악
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발진을 잡아라!
1. 대신호 발진
1) Power amp 처럼 큰 신호파형을 다루는 능동회로에
서 특정 출력전력에서 발견되는 발진
2. 발진은 꼭 잡아야 한다!
1)
2)
3)
4)
5)
6)
저항으로 잡기
Negative feedback
바이패스 캐패시터
측정상에서 발생하는 발진
대신호 발진
그 이외의 발진…
① 소자상태 , PCB 불량, 매칭구조의 불안정 등..
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대신호와 소신호의 차이는?
1. 신호가 얼마나 크길래?
1)
2)
3)
4)
5)
CDMA 최저수신감도 → -100dBm레벨 이하
CDMA 단말기 최대 송신출력 → 26~7dBm
0.0000000000001W와 0.5W
RF에서는 작은신호와 큰 신호처리단의 공존!
대신호=PA, 소신호=LNA, mixer
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대신호와 소신호의 차이는?
1. IV 커브를 이해하자
1)
2)
3)
4)
트랜지스터의 주요 전류와 전압
관계를 그래프화 한 것
바이어스 전류(IB)레벨, DC 전압
과 전력
FET의 경우 Gate voltage, 출력
전류의 변화
IV커브는 바이어스 포인트를 결
정하기 위한 중요한 지표!
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ByungJoo Kang
대신호와 소신호의 차이는?
1. Bias Point
1)
Base current값과 collector voltage로 구동해야 할지 결정
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대신호와 소신호의 차이는?
1. Bias Point
1) 정중앙 바이어스 포인트
class A
2) 모든파형을 최대치로 활용
전류소모
3) 대신호와 소신호!
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대신호와 소신호의 차이는?
1. Bias Point
1)
2)
3)
4)
잡음이 최소화 되는 바이어스 포인
트나 이득이 크면서 전류는 작게 쓰
는 어떤 지점
전압/전류 대역을 넘어서 버리는
clamping현상
0dBm과 20dBm
실제적으로 사용할 때는 트랜지스
터 동작구조에 의한 등가회로/수식
모델이 더 중요한 의미!
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대신호와 소신호의 차이는?
1. 등가 회로 (Equivalent circuit)
1) 등가회로는 어떻게 만들어내
는가?
① 선로가 길게 분포한 부분은 인
덕터로 대치
② 금속과 금속 사이에 유전체가
존재하면 캐패시터로 대치
③ 손실이 발생하는 부위는 저항
으로 대치
2) 대신호 등가회로
3) 대신호, 소신호의 문제는 어
떤 등가회로 모델을 사용하느
냐에 관련!
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대신호와 소신호의 차이는?
1. 대신호 모델
1)
트랜지스터의 대신호 모델 특성
①
②
2)
바이어스 조건을 바꾸어서 실제로
트랜지스터의 동작특성을 변화시
킬 수 있는 모델
큰 전력레벨에서 변화하는 내부 모
델을 반영할 수 있는 모델
대신호 모델은 Power amp와 정
확한 mixer등의 설계에 필요!
2. 소신호 모델
1)
2)
대신호 모델을 간략화 한 개념
S 파라미터파일(S2P)을 이용하여
소신호 설계
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공진(Resonance)의 이해
1. 공진의 정의
1) 주파수 선택적 특성을 가지는 현상
2. 공진발생의 정의
1) 밀고 당기는 힘이 평형을 이룰 때
2) 서로 다른 에너지/특성의 주파수가 일치할 때
3. 공진주파수 선택특성
1)
입력되는 신호의 주기와 공진구조물이 가진 고유의 주기성이
일치됨으로써 발생
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공진(Resonance)의 이해
1. 전기적 공진
1)
인덕터와 캐패시터는 전/자기 에너지 축적소자
2)
주파수를 선택적으로 막거나 통하게 할 때 → 공진이 일어났다!
3)
L,C값의 조절에 의해 특정 주파수에 대해 선택적 특성을 만들
수 있다는 점
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공진(Resonance)의 이해
1. LC 공진의 매커니즘
1)
Step 1☞ L, C는 reactance 소자다!
①
②
2)
인덕터 -> 긴 선로 주변에 자기장의 형성하여 신호의 흐름을 주변에 자기
장으로 저장한다.
캐패시터 -> 끊어진 금속 사이에 존재하는 유전체가 분극하면서 전기장으
로 신호의 흐름을 저장한다.
Step 2☞ Reactance 소자는 진짜 무손실일까?
①
L과 C로 인해 전/자기장으로 에너지가 축적된다해도 그걸 효율적으로 뽑
아쓰질 않으면 그냥 사라져서 손실이 되 버릴 수도 있는 것
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공진(Resonance)의 이해
1)
2)
3)
Step 3☞ 공진 회로에서 주파수 별로 손실/무손실 여부가 다르다
Step 4☞ 인덕터와 캐패시터간의 에너지 교환
Step 5☞ 공진주파수
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공진(Resonance)의 이해
1. LC공진의 종류
1)
2)
3)
4)
직렬 공진(Series Resonance)
병렬 공진 (Palallel Resonance)
LC 직렬공진은 Bandpass (대역통과) 형태의 공진이 발생
LC 병렬공진은 Bandstop (대역저지) 형태의 공진이 발생
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공진(Resonance)의 이해
1. 임피던스 매칭 = 공진
1)
캐패시터는 고주파가 될수
록 임피던스가 낮아지면서
신호를 잘 통과시킨다.
2)
직렬로 인턱터를 달아주면
LPF형태의 매칭단이 구성
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공진(Resonance)의 이해
1)
매칭주파수 에서만 에너지가 유출되지 않는다.
①
매칭회로가 그 주파수에서 공진하고 있기 때문
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공진(Resonance)의 이해
1. 구조적 공진
1)
2)
3)
cavity는 내부가 공기 또는 유전체
로 채워져있는 금속통을 의미
cavity는 도파관처럼 사각형
(rectangular)과 원통형(cylinder)이
있으며, 공정편의상 대부분
rectangular cavity가 많이 사용된
다
대전력을 다루는 도파관 필터는
cavity를 연결하여 쉽게 BPF로 구
성
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공진(Resonance)의 이해
1. 공진에서의 Q값
1)
2)
3)
공진 특성이 샤프할수록 3dB 대역폭은 좁아지고 Q값은 커진다.
Q가 낮으면 대역이 넓다는 의미이고 높으면 협대역을 의미
공진이란 얼마나 샤프하게 주파수를 선택해낼 수 있느냐?
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공진(Resonance)의 이해
1. 공진에서의 Q값
1)
저장되는 에너지와 손실되는 에너지의
비에 주파수개념을 적용한 수식
2)
공진기의 각종 조건을 통해 그 Q값을
미리 계산하기 위해 필요
3)
실제로 Q는 입출력 부하 RL 값에 따라
Q값의 계산이 바뀌게 된다
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공진(Resonance)의 이해
1.
발진과 공진
공진
발진
발생소자
수동소자
능동소자
원리
신호주파수와 전기적/구조적 주파수가 일치
될 때 에너지가 집중됨
feedback loop가 gain을 가지면서 작은 잡
음성 신호가 크게 성장해버림
현상
특정 주파수에 대한 선택 특성
발진조건이 성립되는 주파수에서 큰 신호전
력이 샤프하게 나타남
DC 전원
필요도 없고 상관도 없음
있어야만 발진이 일어남
긍정적 용도
필터, 발진기의 공진부,
각종 주파수 선택소자
주파수 신호원
부정적으로
나타나는 경우
불필요한 spurious 발생
엉뚱한 주파수 선택특성
소자파괴, 시스템 불안정 및 수명감소
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공진(Resonance)의 이해
1. RF에 공진이 없다면 앙꼬없는 찐빵!
1)
공진의 의미를 다시한번 정리하자!
①
어떤 구조물의 주기성과 신호의 주기성이 일치할 때, 그 주기에 해당하는
주파수의 에너지가 손실되지 않고 보존되거나 전달되는 것을 말하는 물리
적 현상
2)
공진현상이 없다면 무선통신이나 RF를 쓸 수 없을 것이다.
3)
공진현상이 존재하기에 쓰고 싶은 주파수만 골라내거나 걸러
내기 때문에
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End of document
농장일보다 RF가
더 쉬었어요
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