능동소자/수동소자 [패키지 제품 설계]

󰊱 능동 소자와 수동 소자 파라미터

능동 소자는 입력과 출력을 갖추고 있으며 전원으로부터의 에너지를 사용하여 에너지를 발생시키거나 에너지를 변환시킨다. 에너지 보존법칙에 의해 더 큰 에너지를 발생시키기 위해서 신호단자 말고도 다른 전력의 공급이 필요하다. 다이오드, 트랜지스터 등이 능동소 자이다. 전기에너지를 발생할 수 있는 능력을 갖추고 있다고 생각되는 전기회로의 구성요 소이다. 전원 공급 장치는 포함되지 않고, 트랜지스터 등이 이에 해당된다. 능동소자의 예 로는 부하저항과 전원을 포함한 전자관이나 트랜지스터 등이 있다. 회로를 완성하기 위해서는 능동소자에 몇 개의 수동소자를 부속시켜야 한다. 능동소자를 포함하는 회로를 능동회로라고 한다. 진공관이나 트랜지스터 같은 능동소자는 에너지 공 급능력을 가지고 있기 때문에, 입력신호보다 큰 출력신호를 얻을 수 있다. 일반 증폭기나 발진기가 그 대표적인 보기이다. 수동소자는 에너지를 단지 소비, 축적 혹은 그대로 통과시키는 수동적인 작용을 하는 소 자이다. 증폭이나 전기에너지의 변환과 같은 능동적 기능을 가지지 않는 소자로 저항, 인 덕터, 콘덴서 등이 있다.

 

󰊲 신호연결과 전도체의 기생성분(RLC) 분석 및 최적화 PCB 기판 자체는 각각의 회로소자들을 연결하는 선로와, 전원공급을 위한 plane들의 조합 이다. 모두 passive한 구조물이지만, 신호의 주파수가 올라가면서 PCB의 모든 trace들이 하나의 R,L,C와 같은 소자처럼 동작하기 시작하고, VDD/GND plane은 고주파 공진판으로 동작하기 시작하여 PCB의 물리적인 형상과 구조 자체가 본래의 신호 특성에 점점 더 큰 영향을 주게 된다. 이러한 의도치 않은 기생성분(parasitic)들은 각각 하나의 R,L,C 수동소 자들로 모델링이 가능하며, 이를 조합하면 PCB 기판을 하나의 거대한 회로처럼 다룰 수 있게 된다. 이러한 기생 R,L,C 값은 상대적으로 작은 값이지만, 주파수가 올라갈수록 이러 한 parasitic들이 크게 보이기 때문에, 결코 무시할 수 없는 요소가 된다. 밀집된 선로들의 동작주파수가 올라가면, 그 parasitic으로 인해 발생하는 coupling도 기하급수적으로 증가하 므로 이러한 구조적인 문제를 얼마나 정확히 모델링 하느냐가 중요해진다. 이 때 필요한 것이 바로 PCB 기판의 전기적 동작을 모델링한 모델이며, 이는 SIwave, HFSS, Q3D Extractor와 같은 전자기장 구조해석(EM) S/W를 이용하여 추출할 수 있다.

 

󰊳 PCB 기판의 잡음 문제 해결

전자회로/시스템이 점점 더 고속으로 발전할수록, PCB 기판의 잡음 문제가 더 중요해지고 있다. 갈수록 복잡해지는 PCB 기판 잡음 문제를 해결하기 위해서는, 우선 PCB 기판에 잡 음이 유입되는 경로와 그것의 이론적인 원리를 이해하는 것이 중요하다. PCB에서 잡음이 커지는 경우에 대해 공진과 임피던스의 개념에 기반하여 이해하고 잡음을 억제하기 위해 서는 어떤 대책을 취해야 하는지 이해할 필요가 있다.

 

󰊴 신호라인과 접지신호의 피드백 루프를 고려한 회로기판 설계. 접지편의 임피던스를 최소 화하는 설계

PCB 기판의 SPICE file을 회로 시뮬레이터 상의 component 사용함으로써，PCB 기판 전체 를 하나의 복합적인 RLC 수동소자처럼 사용할 수 있다. PCB SPICE 심볼의 각각의 pin에 신호원을 인가하거나 각종 다른 능동 수동 소자를 연결한 시스템적인 회로도를 구성하고 Transient나 선형/비선형 회로해석을 수행할 수 있다. PCB Layout을 EM해석에 기반한 등 가회로로 추출하고 활용하여 회로해석만으로는 알아낼 수 없었던 PCB 기판의 구조적인 SI (Signal Integrity) 문제를 풀 수 있다.

 

[실습]

󰊱 능동 소자의 수동 소자의 종류와 특성, 동작원리에 대해 이해하여 반도체 제품의 특성을 만 족시킬 수 있도록 전기적 매개변수를 분석하여 최적화된 제품을 설계할 수 있도록 한다.

 

다이오드와 트랜지스터 같은 능동 소자는 전기에너지를 발생할 수 있는 능력을 갖추고 있 으며 전체 회로를 구성하면서 일정한 특성을 나타내게 된다. 수동소자는 증폭이나 전기에 너지의 변환과 같은 능동적 기능을 가지지 않는 소자로 에너지를 소비, 축적하거나 그대 로 통과시키는 작용을 하며 저항, 인덕터, 콘덴서 등이 있다. 전체 회로가 원하는 특성을 나타내기 위해서는 각각의 능동소자의 특성이 주위의 잡음에 영향을 받지 않고 발휘될 수 있도록 수동 소자 여러 개를 적절하게 연결하여야 한다. 능동소자의 특성을 유지하기 위 해 수동 소자를 어떻게 연결하는지에 대해 학습하도록 한다.

 

󰊲 신호연결과 전도체의 기생성분(RLC)을 분석하고 발생 가능한 잡음을 예측하고 이를 방지 할 수 있는 방법을 찾는다.

 

PCB 기판은 회로소자를 연결하는 선로 역할과 전원 공급을 하는 역할을 한다. PCB를 구 성하는 선로는 신호의 주파수가 올라가면 R, L, C 소자의 역할을 하게 되면서 PCB를 구성 하는 재료와 구조 자체가 회로의 신호 특성에 영향을 주게 된다. 의도치 않은 이러한 기생성분 들은 각각 하나의 R,L,C 수동소자들로 모델링이 가능하여 PCB 기판을 하나의 거대한 회로처럼 다룰 수 있다. 신호의 주파수가 올라가게 되면 PCB 기판을 구성하는 성분이 기생 R,L,C 역할을 하여 신 호를 교란시키기 때문에 PCB 구성 성분을 정확하게 모델링 하는 것이 매우 중요해진다. 회로에 발생할 수 있는 기생성분 들을 각각 하나의 R,L,C 수동소자들로 모델링을 하여 전 자기장 구조해석(EM) S/W를 이용하여 추출한다. 이 때 필요한 것이 바로 PCB 기판의 전 기적 동작을 모델링한 모델이며, 이는 전자기장 구조해석 S/W를 이용하여 추출할 수 있다.

 

󰊳 전기적 특성에 영향을 주는 주요 인자를 파악하고 PCB 기판에 발생할 수 있는 잡음을 해석하고 문제를 해결한다.

 

PCB 기판에서 잡음이 커지는 경우에 대해 공진과 임피던스의 개념에 기반하여 이해하고 잡음을 억제할 수 있는 대책을 찾는다. 전자소자의 동작 속도가 고속으로 발전할수록 그 중요성이 커지는 PCB 기판의 잡음 문제를 해결하기 위해서는 PCB 기판에 잡음이 유입되는 경로와 해결할 수 있는 이론을 이해하는 것이 중요하다. 잡음이 커지는 경우에 대해 공진 과 임피던스의 개념을 이해하고 잡음을 억제하기 위해서는 필요한 조치를 이해해야 한다.

 

󰊴 신호라인과 접지신호의 피드백 루프를 고려한 회로기판 설계를 하고 접지편의 임피던스 를 최소화할 수 있는 방법을 찾는다.

PCB 기판 전체를 하나의 복합적인 RLC 수동소자처럼 사용하여 각종 능동 수동 소자를 연 결한 시스템적인 회로도를 구성하고 회로해석을 수행한다. PCB 전체를 대체할 수 있는 등 가회로로 추출하고 활용하여 PCB 기판의 구조적인 SI (Signal Integrity) 문제를 풀 수 있도 록 한다.