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전자 회로

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목차

1. 개요

전자 회로는 전기 신호를 처리하고 조작하는 데 사용되는 전기 부품들의 연결이다. 크게 아날로그 회로, 디지털 회로, 혼합 신호 회로로 구분되며, 다루는 주파수에 따라 저주파 회로와 고주파 회로로 나뉜다. 아날로그 회로는 연속적인 전압 또는 전류를 사용하며, 디지털 회로는 이산적인 값을 사용한다. 혼합 신호 회로는 아날로그와 디지털 회로의 요소를 모두 포함한다. 전자 회로는 능동 소자와 수동 소자를 결합하여 구성되며, 회로 해석을 통해 입력에 따른 출력을 분석한다. 회로 설계 및 프로토타이핑을 통해 실제 동작을 구현하며, 잡음은 전자 회로의 성능에 영향을 미치는 요소 중 하나이다.

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전자 회로
개요
종류전자 회로
설명능동 소자를 포함하는 전기 회로.
전력 공급, 신호 증폭, 연산, 데이터 전송 등 다양한 기능을 수행.
구성 요소
능동 소자다이오드
트랜지스터
연산 증폭기
집적 회로 (IC)
수동 소자저항
커패시터
인덕터
변압기
전선
회로 유형
아날로그 회로연속적인 신호를 처리하는 회로
디지털 회로이산적인 신호를 처리하는 회로
혼합 신호 회로아날로그와 디지털 회로의 기능을 모두 갖는 회로
회로 설계
회로도회로 구성 요소를 기호로 표현한 그림
네트워크 분석회로망 분석을 통해 회로 동작을 분석
시뮬레이션컴퓨터 시뮬레이션을 통해 회로 동작을 예측하고 검증
응용 분야
전자 기기컴퓨터
휴대 전화
텔레비전
라디오
의료 기기
산업 자동화 장치
기타통신
전력 시스템
제어 시스템
계측
역사
초기진공관을 사용한 회로
발전트랜지스터와 집적 회로의 발명으로 소형화 및 고성능화

2. 종류

전자 회로는 크게 아날로그 회로, 디지털 회로, 그리고 이 둘을 결합한 혼합 신호 회로로 나눌 수 있다. 다루는 주파수에 따라 저주파 회로와 고주파 회로로 분류하기도 한다.


  • 아날로그 회로: 전류나 전압이 연속적으로 변하는 신호를 다룬다.
  • 디지털 회로: 논리 및 숫자 값을 나타내는 이산적인 전기 신호를 사용한다.
  • 혼합 신호 회로: 아날로그 회로와 디지털 회로의 요소를 모두 포함한다. 비교기, 타이머, 위상 고정 루프, 아날로그-디지털 변환기, 디지털-아날로그 변환기 등이 여기에 속한다.[1]

2. 1. 아날로그 회로

아날로그 회로, 이 경우 간단한 증폭기를 나타내는 회로도


아날로그 전자 회로는 전류 또는 전압이 시간에 따라 연속적으로 변화하여 표현되는 정보에 대응하는 회로이다.

전선, 저항 및 배터리를 보여주는 간단한 회로도


아날로그 회로의 기본 구성 요소는 전선, 저항, 커패시터, 인덕터, 다이오드, 및 트랜지스터이다. 아날로그 회로는 일반적으로 회로도로 표현되며, 여기서 전선은 선으로 표시되고 각 구성 요소는 고유한 기호를 갖는다. 아날로그 회로 분석에는 키르히호프의 회로 법칙을 사용한다. 모든 노드(전선이 만나는 지점)에서의 전류의 합은 0이고, 폐회로의 전압의 합은 0이다. 전선은 일반적으로 이상적인 0전압 상호 연결로 취급되며, 저항이나 리액턴스는 분산 저항이나 인덕터와 같은 기생 요소를 명시적으로 추가하여 고려한다. 트랜지스터와 같은 능동 소자는 종종 제어 전류 또는 전압 소스로 취급된다. 예를 들어, 전계 효과 트랜지스터는 게이트-소스 전압에 의해 제어되는 소스에서 드레인으로의 전류 소스로 모델링될 수 있다.

회로 크기가 관련 신호 주파수의 파장과 비슷할 때는 분포 정수 회로 모델이라는 더 정교한 접근 방식을 사용해야 한다. 전선은 공칭적으로 일정한 특성 임피던스를 갖는 전송선으로 취급되고, 시작과 끝의 임피던스가 선상의 전송파와 반사파를 결정한다. 이러한 방식으로 설계된 회로는 분포 정수 회로이다. 이러한 고려 사항은 일반적으로 GHz 이상의 주파수에서 회로 기판에 중요해진다. 집적 회로는 더 작으므로 10GHz 미만의 주파수에 대해서는 집중 정수 요소로 취급할 수 있다.

아날로그 회로는 크게 아날로그 회로, 디지털 회로(논리 회로), 아날로그와 디지털의 혼합 신호 회로(아날로그-디지털 변환 회로, 디지털-아날로그 변환 회로 등)으로 나눌 수 있다. 다루는 주파수에 따라 저주파 회로·고주파 회로로 나누는 경우도 있다.

아날로그 회로는 표현하는 정보에 따라 전류 또는 전압이 시간에 따라 연속적으로 변하는 전자 회로이다. 아날로그 회로의 기본 구성으로 직렬 회로와 병렬 회로가 있다. 직렬 회로에서는 같은 전류 경로상에 전자 부품이 나열되어 있다. 예를 들어, 크리스마스 장식용 전구가 나열된 전선이 있는데, 전구 중 하나라도 끊어지면 모든 전구가 꺼진다. 병렬 회로에서는 각 전자 부품에 같은 전압이 걸리고, 각 부품의 저항값에 따라 전류가 분배된다.

아날로그 회로의 기본 구성 부품으로 배선, 저항기, 콘덴서, 코일, 다이오드, 트랜지스터가 있다(최근에는 메모리스터도 기본 소자 중 하나로 추가되고 있다). 배선을 직선으로 나타내고 각 부품을 기호로 나타낸 회로도로 표현하는 것이 일반적이다. 아날로그 회로의 해석에는 키르히호프의 법칙을 이용한다. 즉, 어떤 접점(배선이 교차하는 점)에서의 모든 전류의 총합은 항상 0이며, 폐회로를 형성하는 배선상의 전압의 총합은 0이 된다는 것이다. 배선은 일반적으로 전기 저항이 없고 전압이 걸리지 않는 이상적인 전기 도체로 간주한다. 전기 저항이나 리액턴스를 부여하려면, 명시적으로 저항기나 코일과 같은 수동 소자를 추가한다. 트랜지스터와 같은 능동 소자는 제어되는 전류원 또는 전압원으로 취급되는 경우가 많다. 예를 들어 전계 효과 트랜지스터는 소스-드레인 간의 전류원으로 모델링할 수 있으며, 그 전류는 게이트-소스 간의 전압으로 제어된다.

회로의 크기와 그 회로가 처리하는 신호 주파수의 파장이 가까운 경우, 더욱 정교한 방법을 사용해야 한다. 배선은 전송 선로로 취급되며, 일정한 특성 임피던스를 갖는 것이 바람직하다. 시점과 종점에서의 임피던스에 따라 전송되는 파와 반사파가 결정된다. 이러한 고려 사항은 주파수가 GHz 이상인 경우에 중요해진다. 집적 회로는 배선이 짧기 때문에, 10GHz 정도까지는 소자의 집합체로 취급할 수 있다.

대체 모델로, 기본 전자 유닛으로 독립 전원과 전자기 유도를 채용하는 경우가 있다. 이 경우, 2차 전자 부품으로 주파수에 의존하는 음성 저항, 자이레이터, 음성 임피던스 변환 회로 등을 취급할 수 있다.

2. 2. 디지털 회로

디지털 회로에서는 전기 신호가 논리 및 숫자 값을 나타내는 이산 값을 취한다.[4] 이러한 값은 처리되는 정보를 나타낸다. 대부분의 경우 이진 인코딩이 사용된다. 하나의 전압(일반적으로 더 높은 값)은 이진 '1'을 나타내고 다른 전압(일반적으로 접지 전위 근처의 값, 0V)은 이진 '0'을 나타낸다. 디지털 회로는 트랜지스터를 광범위하게 사용하며, 논리 게이트를 생성하도록 상호 연결되어 부울 논리: AND, NAND, OR, NOR, XOR 및 그 조합의 기능을 제공한다. 양의 피드백을 제공하도록 상호 연결된 트랜지스터는 래치 및 플립플롭으로 사용되며, 이는 두 개 이상의 준안정 상태를 가지며 외부 입력에 의해 변경될 때까지 이러한 상태 중 하나에 머무르는 회로이다. 따라서 디지털 회로는 논리 및 메모리를 제공하여 임의의 계산 기능을 수행할 수 있다. 플립플롭을 기반으로 하는 메모리는 정적 램(SRAM)으로 알려져 있으며, 축전기에 전하를 저장하는 메모리인 동적 램(DRAM)도 널리 사용된다.

디지털 회로의 설계 과정은 아날로그 회로의 과정과 근본적으로 다르다. 각 논리 게이트는 이진 신호를 재생성하므로 설계자는 아날로그 설계에서 직면하는 왜곡, 이득 제어, 오프셋 전압 및 기타 문제를 고려할 필요가 없다. 결과적으로 단일 실리콘 칩에 수십억 개의 논리 요소가 통합된 매우 복잡한 디지털 회로를 저렴한 비용으로 제작할 수 있다. 이러한 디지털 집적 회로는 계산기, 휴대 전화 및 컴퓨터와 같은 현대 전자 장치에 널리 사용된다. 디지털 회로가 더 복잡해짐에 따라 시간 지연, 논리 경합, 전력 소비, 비이상적인 스위칭, 칩 내부 및 칩 간 로딩 및 누설 전류와 같은 문제가 회로 밀도, 속도 및 성능에 대한 제한이 된다.

디지털 회로는 마이크로프로세서와 같은 범용 컴퓨팅 칩과 주문형 반도체(ASIC)로 알려진 맞춤형 논리 회로를 만드는 데 사용된다. 제작 후 구성을 수정할 수 있는 논리 회로가 있는 칩인 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)도 프로토타이핑 및 개발에 널리 사용된다.

2. 3. 혼합 신호 회로

혼합 신호 회로는 아날로그 회로와 디지털 회로의 요소를 모두 포함하는 회로이다. 비교기, 타이머, 위상 고정 루프, 아날로그-디지털 변환기(ADC), 디지털-아날로그 변환기(DAC) 등이 혼합 신호 회로의 예시이다. 대부분의 현대 무선 및 통신 회로는 혼합 신호 회로를 사용한다. 예를 들어, 수신기에서 아날로그 회로는 신호를 증폭하고 주파수 변환하여 디지털 값으로 변환하기에 적합한 상태로 만든 후, 디지털 영역에서 추가적인 신호 처리를 수행할 수 있다.[1]

3. 구성 요소

전자 회로는 신호를 처리하기 위해 다양한 구성 요소를 결합하여 만든다. 크게 능동 소자와 수동 소자로 나눌 수 있으며, 이 외에도 전선, 센서, 액추에이터 등이 사용된다.

아날로그 회로의 기본 구성 요소는 전선, 저항기, 축전기(커패시터), 인덕터(코일), 다이오드, 트랜지스터이다. 이러한 아날로그 회로는 회로도로 표현되며, 각 구성 요소는 고유한 기호를 갖는다. 키르히호프의 회로 법칙을 사용하면 회로를 분석할 수 있다.

디지털 회로에서 전기 신호는 이산 값을 가지며, 논리 게이트를 생성하도록 상호 연결된 트랜지스터를 사용한다. 이는 불 논리 연산을 수행하며, 정적 램(SRAM)이나 동적 램(DRAM)과 같은 메모리를 만드는 데에도 사용된다.

비교기, 타이머, 위상 고정 루프, 아날로그-디지털 변환기, 디지털-아날로그 변환기 등은 아날로그 회로와 디지털 회로의 요소를 모두 포함하는 혼성 신호 회로이다.

3. 1. 능동 소자

신호 처리를 위해 능동소자가 주로 취급되며 이와 수동소자(저항기, 코일, 축전기)가 결합하여 회로를 구성한다.

증폭, 정류같은 능동 동작이 가능한 반도체 공학 소자는 다음과 같다.

3. 2. 수동 소자

저항기, 코일, 콘덴서는 수동 소자로, 신호 처리를 위해 능동 소자와 결합하여 회로를 구성한다.[7] 이들은 아날로그 회로의 기본 구성 부품이며, 회로도에서 고유한 기호로 표현된다.[8] 키르히호프의 회로 법칙을 사용하여 회로를 분석할 수 있다.

3. 3. 기타

전자관, 센서, 액츄에이터는 전자 회로의 구성 요소이다. 전자 회로는 아날로그 전자 회로와 디지털 전자 회로로 나뉜다.[7] 전자 회로는 신호 증폭, 계산, 데이터 전송 등의 기능을 수행한다.[8] 회로는 개별 전자 부품을 전선으로 연결하여 만들 수도 있지만, 최근에는 인쇄 회로 기판에 포토리소그래피로 배선을 만들고 납땜으로 부품을 고정하는 방식이 일반적이다.

집적 회로는 실리콘 등의 반도체 기판 위에 소자와 배선을 형성한 것이다.[9] 집적 회로 역시 전자 회로의 일종이지만, 이 문서에서는 하나의 부품으로 취급한다. 집적 회로 내부의 전자 회로에 대한 자세한 내용은 집적 회로 문서를 참조한다.

인쇄 회로 기판은 시제품 제작에는 적합하지 않다. 따라서 새로운 설계를 평가할 때는 브레드보드나 유니버설 기판을 주로 사용하며, 이를 통해 개발 과정에서 회로를 빠르게 변경할 수 있다.

인쇄 회로 기판이 널리 사용되기 전에는 와이어 랩핑 배선이나 러그 보드 등을 이용한 공중 배선으로 전자 회로를 제작했다.

4. 회로 해석

회로 해석은 전자 회로에 흐르는 전류와 전압을 분석하여 입력에 따른 출력을 예측하는 과정이다. 능동 소자는 수동 소자와 전압, 전류 소스로 모델링하여 회로 이론을 통해 해석할 수 있다.[4]

아날로그 회로는 전류나 전압이 시간에 따라 연속적으로 변하는 정보를 다룬다. 기본 구성 요소로는 전선, 저항, 콘덴서, 인덕터, 다이오드, 트랜지스터 등이 있으며, 회로도로 표현된다. 키르히호프의 회로 법칙을 사용하여 회로를 해석하는데, 이는 모든 노드에서 전류의 합이 0이고, 폐회로에서 전압의 합이 0이라는 법칙이다. 전선은 이상적인 0 전압 상호 연결로 취급되며, 능동 소자는 제어 전류 또는 전압 소스로 모델링된다. 회로 크기가 신호 주파수의 파장과 비슷할 때는 분포 정수 회로 모델을 사용해야 한다.

디지털 회로에서는 전기 신호가 이산 값을 가지며, 논리 및 숫자 값을 나타낸다.[10] 이진 인코딩이 주로 사용되며, 트랜지스터를 논리 게이트로 상호 연결하여 불 논리 연산을 수행한다. 양의 피드백을 통해 래치 및 플립플롭을 구성하여 메모리 기능을 구현할 수 있다. 디지털 회로는 아날로그 회로에 비해 설계가 용이하며, 고밀도 집적이 가능하다.

증폭기 회로를 해석할 때는 증폭도, 입력/출력 임피던스, 주파수 특성 등을 고려해야 한다. 능동 소자는 주파수 특성에 따라 저주파 및 고주파 모델링으로 나뉜다.

4. 1. 능동 소자 모델링

증폭, 정류 등 능동 동작이 가능한 반도체 공학 소자에는 다이오드, 트랜지스터(BJT, FET), 사이리스터, 집적회로 등이 있다. 회로 해석에서 능동 소자는 수동 소자와 전압 또는 전류 소스로 모델링된다. 이러한 모델링을 통해 회로 이론을 사용하여 입력에 따른 출력을 해석할 수 있다.

(그림 1) 저주파 BJT hybrid-pi 모델


증폭기 등에서 해석해야 할 내용은 다음과 같다.

  • 증폭도(gain) : 주로 선형 회로로 간주하고 해석한다.
  • 소자의 입력 임피던스
  • 소자의 출력 임피던스
  • 주파수 특성을 알기 위해 보데선도(Bode plot) 해석


능동 소자는 주파수 특성에 따라 저주파용과 고주파용 모델링으로 나뉜다. 주로 고주파 모델링에서 C(콘덴서) 성분이 추가된다.

4. 2. 증폭기 해석

회로 해석에서 능동소자는 수동소자와 전압, 전류 소스로 모델링한다. 이 모델링 변환을 통해 회로 이론을 사용하여 해석함으로써 입력에 의한 출력을 알 수 있다.

증폭기 등에서 해석해야 할 내용은 다음과 같다.

  • 증폭도(gain): 주로 선형회로로 간주하고 해석한다.
  • 소자의 입력 임피던스
  • 소자의 출력 임피던스
  • 주파수 특성을 알기 위해 보데선도(Bode plot) 해석


능동소자는 주파수 특성을 알기 위해 저주파용과 고주파용 모델링으로 나뉜다. 주로 C 성분이 적어 고주파에서 추가된다. BJT나 FET을 활용해서 증폭기를 만들 경우, 전류 방향이 한쪽으로만 흐르기 때문에 AC 성분을 증폭하려면 음전압 부분을 없애기 위해 바이어스를 통해 해결해야 한다. 따라서 이것은 DC 소스 + AC 소스 신호의 결합 형태로 해석하면 된다.

전원이 2개라고 생각하면 각각의 소스로 해석하는 중첩 원리로 해석하면 된다. 보통 DC 전압이 높고, 신호로 입력되는 전압 폭이 작기 때문에 소신호라는 용어를 사용한다. 연산 증폭기의 해석은 연산 증폭기의 입력 특성을 이용한다.

  • 입력 단자 v_+와 v_- 전압이 같다.
  • 입력 단자 v_+와 v_- 전류는 0이다.


이 개념을 적용하여 회로 이론을 적용해 해석한다. 위 조건을 사용하여, KCL을 적용하여 수식을 전개하여 증폭도 등을 얻을 수 있다. 기타 C 성분이 추가되는 필터 회로의 경우 주파수 특성 해석까지 추가되어 해석한다. 주파수 특성을 쉽게 파악하기 위해 보데선도를 이용한다.

4. 3. 해석 방법

전자 회로의 해석은 회로에 흐르는 전류와 전압을 분석하여, 입력에 따른 출력을 예측하는 과정이다. 능동 소자는 수동 소자와 전압, 전류 소스로 모델링하여 회로 이론을 통해 해석할 수 있다.[4]

아날로그 회로는 전류나 전압이 시간에 따라 연속적으로 변하는 정보를 다룬다. 기본 구성 요소로는 전선, 저항, 커패시터, 인덕터, 다이오드, 트랜지스터 등이 있으며, 회로도로 표현된다. 키르히호프의 회로 법칙을 사용하여 회로를 해석하는데, 이는 모든 노드에서 전류의 합이 0이고, 폐회로에서 전압의 합이 0이라는 법칙이다. 전선은 이상적인 0 전압 상호 연결로 취급되며, 능동 소자는 제어 전류 또는 전압 소스로 모델링된다. 회로 크기가 신호 주파수의 파장과 비슷할 때는 분포 정수 회로 모델을 사용해야 한다.

디지털 회로는 전기 신호가 이산 값을 가지며, 논리 및 숫자 값을 나타낸다.[10] 이진 인코딩이 주로 사용되며, 트랜지스터를 논리 게이트로 상호 연결하여 불 논리 연산을 수행한다. 양의 피드백을 통해 래치 및 플립플롭을 구성하여 메모리 기능을 구현할 수 있다. 디지털 회로는 아날로그 회로에 비해 설계가 용이하며, 고밀도 집적이 가능하다.

증폭기 회로를 해석할 때는 증폭도, 입력/출력 임피던스, 주파수 특성 등을 고려해야 한다. 능동 소자는 주파수 특성에 따라 저주파 및 고주파 모델링으로 나뉜다. (하위 섹션에서 트랜지스터 증폭기와 연산 증폭기에 대해 더 자세히 다룬다.)

4. 3. 1. 트랜지스터 증폭기

BJT(쌍극성 접합 트랜지스터)나 FET(전계 효과 트랜지스터)를 사용하여 증폭기를 만들 때, 전류가 한 방향으로만 흐르기 때문에 교류(AC) 성분을 증폭하려면 음전압 부분을 처리해야 한다. 이를 위해 바이어스 회로를 통해 해결할 수 있다. 따라서 트랜지스터 증폭기는 DC 전원과 AC 전원 신호의 결합 형태로 해석할 수 있다.

이것은 두 개의 전원이 있다고 가정하고, 중첩 원리를 통해 각각의 전원으로 해석하는 방식으로 이해할 수 있다. 보통 직류(DC) 전압이 높고, 신호로 입력되는 전압의 폭이 작기 때문에 소신호라는 용어를 사용한다.

4. 3. 2. 연산 증폭기 (Op-Amp)

연산 증폭기 해석은 연산 증폭기의 입력 특성을 이용한다.

  • 입력 단자 v_+와 v_- 전압이 같다.
  • 입력 단자 v_+와 v_- 전류는 0이다.


이 개념을 적용하여 회로 이론을 적용해 해석한다. 위 조건을 사용하여, KCL을 적용하여 수식을 전개하여 증폭도 등을 얻을 수 있다. 기타 C 성분이 추가되는 필터 회로의 경우 주파수 특성 해석까지 추가되어 해석한다. 주파수 특성을 쉽게 파악하기 위해 보데 선도를 이용한다.

5. 잡음

6. 설계 및 프로토타이핑

집적 회로는 실리콘 등의 반도체 기판 위에 소자와 배선을 형성한다.[9] 집적 회로는 전자 회로의 일종이지만, 이 문서에서는 주로 집적 회로를 하나의 부품으로 취급한다. 집적 회로 내부의 전자 회로에 대한 자세한 내용은 집적 회로 문서를 참조한다.

6. 1. 프로토타이핑

전자 회로에는 아날로그 전자 회로와 디지털 전자 회로가 있다.[7] 신호를 증폭하거나, 계산하거나, 데이터를 전송하는 등의 기능을 수행할 수 있다.[8] 회로는 개별 전자 부품을 전기 전도체인 와이어로 상호 연결하여 구축할 수 있지만, 최근에는 일반적으로 인쇄 회로 기판에 포토리소그래피로 배선을 만들고, 거기에 납땜으로 전자 부품을 고정하여 회로를 구축한다.

인쇄 회로 기판은 시제품 제작에는 적합하지 않으므로, 새로운 설계 평가에는 브레드보드, 유니버설 기판 등을 일반적으로 사용한다. 이들은 개발 과정 중에 회로를 신속하게 변경할 수 있다는 장점이 있다.

인쇄 회로 기판이 널리 사용되기 이전에는 와이어 랩핑 배선이나 러그 보드 등을 이용한 공중 배선으로 전자 회로를 제작하였다.

참조

[1] 서적 Fundamentals of Electric Circuits McGraw-Hill
[2] 서적 Microelectronic Circuit Design McGraw-Hill
[3] 서적 RF and Microwave Passive and Active Technologies https://books.google[...] CRC Press 2018
[4] 서적 Introduction to Digital Logic Design Addison Wesley
[5] 서적 電子回路 新インターユニバーシティ
[6] 서적 電子回路 新インターユニバーシティ
[7] 서적 電子回路 新インターユニバーシティ
[8] 논문 Fundamentals of Electric Circuits McGraw-Hill
[9] 논문 Microelectronic Circuit Design McGraw-Hill
[10] 논문 Introduction to Digital Logic Design Addison Wesley


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