수동소자, 능동소자 설명를 말해 보십시오.

기본적으로 FET/BJT/Diode 류의 비선형소자를 포함한 회로를 능동회로(Active circuit)이라 부르고, 그렇지 않은 회로를 수동회로(Passive circuit)이라고 부른다. 이 분류법은 일반 전자회로와 완전히 동일하다.

비선형소자가 포함된 경우에는 제3의 사용자 입력설정에 따라 이미 구성된 회로의 특성 값을 바꿀 수 있거나, 비선형 동작을 이용하여 다양한 출력특성을 만들어내게 된다. 반면 R, L, C 혹은 기판, 유전체 등의 수동소자만 이용되는 수동회로의 경우 일단 만들어진 후에는 입력조건에 의한 특성의 변화가 불가능하고, 단지 수동적으로 상황에 맞게 정해진 특성만 나타낸다.

해설 및 핵심용어 정리

(1) 수동소자

수동소자(passive element, passive component)는 공급된 전력을 소비·축적·방출하는 소자로, 증폭 정류 등의 능동적 기능을 하지 않는 것을 말한다. 증폭이나 전기 에너지의 변환과 같은 능동적 기능을 가지지 않는 소자로 전자 소자. 저항기, 콘덴서, 인덕터, 트랜스, 릴레이 등이 있다. 능동소자와는 반대로 에너지를 단지 소비, 축적, 혹은 그대로 통과시키는 작용을 하고, 수동적으로 작용할 뿐, 먼저 나서서 어떠한 일을 하지는 않는다. 수동소자는 외부전원이 필요 없이 단독으로 동작이 가능하다. 만들어진 후에는 입력 조건에 의한 소자의 특성 변화가 불가능 하고, 소자의 특성이 수동적으로 상황에 알맞게 전류나 전압이 인가되지 않은 상태에서 결정되어 있는 소자이다. 기본적으로 선형 동작을 하기 때문에 수동소자는 선형 해석만으로도 충분한 해석이 가능하다.

(2) 수동회로의 종류

가. Filter (여파기)

수동회로의 꽃이라 불리우는 필터는 기본적으로 공진을 이용한 주파수 선별회로이다. 목적에 따라서 LPF (Low-pass filter), HPF (High-pass filter), BPF (band-pass filter), BSF (Band-stop filter ;일명 notch) 의 4가지로 분류된다. 일반적인 RF 통신회로에서는 원하는 대역폭만 추출하는 BPF와 잡음제거 및 다용도로 사용되는 LPF가 주로 애용된다. RF에서는 Microstrip이나 공진기를 주로 이용하여 설계하게 되며, 다양한 설계방식이 존재한다.

나. Duplexer

이동통신장비의 필수품중의 하나로서, 하나의 안테나를 송신단과 수신단이 공유하기 위한 회로로서, 주로 송신단과 수신단의 BPF 와 송수신단을 서로 분리하기 위한 notch로 구성된다. RF에서는 lumped element가 아니라 combline 형태를 이용한 distributed type 필터가 주로 이용된다.

다. RF switch

하나의 통로를 통해 여러 개의 RF 신호가 지나가야 할 경우, DC로 조절 가능한 스위치를 이용하게 된다. RF 스위치는 사용자의 디지털 입력신호에 의해 RF 신호의 경로를 바꾸어주는 장치이다. 기지 국단에서의 고장에 대비한 예비회로 연결용이나, 무선 LAN이나 TDD방식의 통신에서 하나의 안테나를 이용하여 입출력 신호를 분기하는 듀플렉서 대용으로 사용되기도 한다.

라. Coupler (결합기)

하나의 신호에서 특정 전력만큼만 추출해내고자 할 때 사용되며 그 추출전력 레벨에 따라 3dB coupler, 15dB coupler 등등으로 분류된다. 전력을 특정비율로 배분하거나 신호의 특성을 조사하기 위해 sampling을 하고 싶을 때 사용한다.

마. Power Divider/Combiner (전력 분배기/합성기)

Coupler와 유사한 개념으로서, 특정 신호의 전력을 균등 혹은 차등하게 분배하거나 합성하는 회로를 뜻한다. 크게 손실 방식과 비손실 방식이 있는데, 비손실 방식은 Coupler와 같이 선로구조의 공진특성만을 이용하지만, 손실방식은 저항소자를 이용하여 전력의 balance를 조절한다. 비손실 방식은 Hybrid type이, 손실 방식으로는 Wilkinson 방식이 많이 애용된다.

바. Antenna

RF 회로의 필수품인 안테나 역시 구조의 공진특성을 이용하여 특정 주파수를 공기 중에 방출하는 회로이다. 내용적으로는 수동회로에 속하지만, 수동회로와 독립적인 고유영역으로 분류하는 경우도 많다. 자체적으로도 대단히 다양한 형태가 존재하며, 회로적인 특성보다는 철저하게 구조 특성에 영향을 받기 때문에 이론만으로 설계하기가 어렵다. 안테나는 송신용과 수신용이 근본적으로 구분이 되는 것이 아니며, (가역성) 사용자의 용도와 해당 주파수에 의해 송수신용이 구분된다고 보면 된다.

사. 기타

선로를 중첩하여 구현한 스파이럴 인덕터나 LTCC 형태의 칩인덕터/칩 캐패시터 등이 있다.

(3) 능동소자

능동소자(active element, active component) 작은 신호(전력, 전압, 전류 중 하나)를 넣어 큰 출력 신호로 변화시킬 수 있는 전자 부품 소자이다. 입력과 출력의 비율로 이득을 얻는다. 입력과 출력을 갖추고 있으며, 전기를 가한 것만으로 입력과 출력에 일정한 관계를 갖는 소자이다. 에너지의 발생이 있는 것을 능동 소자라고 하지만, 에너지 보존 법칙이 성립하여 정상상태에서는 에너지 지수가 0으로 되기 때문에 실제로 에너지가 발생하는 것은 아니며 전원으로부터의 에너지를 써서 신호의 에너지를 발생시키는 등, 에너지 변환을 하는 것이 능동소자이다. 그렇기 때문에 능동소자는 신호단자 외 전력의 공급이 필요하다. 대표적인 부품으로는 연산 증폭기, 다이오드(모든 다이오드가 아니라, 터널 다이오드나 발광 다이오드 같이 부성저항 특성을 띄는 다이오드만), 트랜지스터, 진공관 등이 있다.

(4) 능동회로의 설계

능동회로를 설계할 때는 비선형소자의 동작 특성을 완전히 파악하고 만들지 않으면 제대로 된 설계가 불가능하며, 그래서 일반적으로 수동회로보다는 능동회로가 더 설계하기 힘들다. 또한 능동회로는 비선형소자 특성상 외부조건에 대해 상대적으로 영향을 많이 받기 때문에 shielding이나 mounting에 대해서도 각별히 신경 써야 한다.

비선형 소자를 사용하는 능동회로 설계는 크게 Linear(선형)과 Nonlinear(비선형) 설계로 나누어진다. 비선형 소자들도 특정 구간에서는 선형적으로 동작할 때가 있는데, 이 부분만 이용한 설계를 Linear 혹은 Small signal (소신호)설계라고 하며, 포화영역이나 과도영역의 비선형 지역까지 고려하여 설계하는 것을 Nonlinear 혹은 Large signal(대신호)설계라고 불리운다. 당연히 Linear 해석을 통한 설계가 간단하고 쉽지만, 특정 전압/전류 범위에서만 안정된 동작을 제공하며, Nonlinear 해석은 넓은 범위에서 동작을 제어할 수 있으나 설계하기가 무척 까다롭다. 일반적으로 사용하고자 하는 능동회로의 동작범위와 목적에 맞게 해석법을 선택해야 한다.

(5) 능동회로의 종류

가. Amplifier (증폭기)

신호를 증폭해주는 회로로서, 각각의 FET/BJT를 원하는 특성이 나오도록 bias 조건을 정해준 다음, 그 bias에 의해 들어오는 전력을 입력신호 변화에 비례하는 형태로 출력을 내보낸다. 즉, 입력신호 자체를 뻥튀기하는 것이 아니라, 입력신호의 전압/전류 변화에 민감하게 bias 전력이 움직이게 함으로써 결과적으로 확대 복사한 결과가 출력되는 셈이다. RF에서는 보통 여러 단의 증폭기를 연결한 Multi-stage AMP가 많이 사용되며, 사용목적과 특성에 따라 LNA (Low Noise Amp), LPA (Linear Power Amp), HPA (High Power Amp) 등으로 나눌 수 있다.

나. Oscillator (발진기)

RF 회로에서 필수적인 회로의 하나로서, 특정주파수의 sin파 신호를 생성해내는 회로이다. 특성상 AMP와 비슷한 구조이지만, 설계과정에서 Stability조건의 차이에 의해 AMP가 되느냐 Oscillator가 되느냐가 구분된다. 결과 자체도 AMP나 Oscillator나 비슷하지만, 주파수대역폭에 따라 구분되며, Oscillator는 source이기 때문에 출력단자만 있다는 점이 다르다. 실제로는 VCO (Voltage Controlled Oscillator)로서 설계되어서 주파수를 조절하거나 자체 feedback으로 안정화된 회로 형태를 많이 가지게 된다.

다. Mixer (혼합기)

두 주파수 성분을 합성하여 그 차이에 해당하는 주파수 신호만 검출하는 회로이다. 간단하게 Diode 몇 개만으로도 구성이 가능하나, FET를 써서 구현하기도 한다. 반송파 (Carrier)에 신호를 변조시켜 보내는 시스템에서 IF (중간주파수)를 추출해내기 위해 주로 사용되며, 결과적으로 주파수 up/down converter로서 애용된다.

라. Frequency Doubler (주파수 체배기)

주파수를 배수 단위로 올리기 위한 회로로서, 특정 주파수의 고차 고조파(Harmonic)을 합성하는 방식을 많이 사용한다. 특성이 대체로 별로 좋지 않다.

마. Phase shifter (위상천이기)

신호의 위상만 변화하도록 하기 위한 회로로서, 0db Amplifier라고도 한다. 내부적으로는 AMP와 유사하지만 이득이 없는 회로처럼 구성되어 결과적으로 위상만 천이된 형태가 된다.

바. 기타

수동소자인 필터와 안테나에 비선형소자를 이용하여 조절할 수 있도록 한 능동 안테나와 능동 필터 등이 있다.