장비 전원을 켜는 순간, 밸브가 "딸깍" 하고 한 번 튀는 현상을 잡느라 일주일을 쓴 적이 있습니다. 소프트웨어는 멀쩡했고 출력도 분명히 꺼져 있어야 했습니다. 문제는 MCU가 깨어나기 전, 아직 아무것도 구동하지 않는 그 짧은 순간에 있었습니다. 그 뒤로 제가 즐겨 쓰는 부품이 KEC의 KRC101입니다. 트랜지스터 몸체 안에 저항 두 개가 이미 들어 있는 이 작은 부품으로 오픈컬렉터 스위칭 회로를 어떻게 만드는지, 데이터시트 숫자와 함께 정리했습니다. KRC101이란, 저항을 품고 태어난 디지털 트랜지스터 [KRC101] KRC101은 KEC가 만드는 NPN 에피택셜 플래너 트랜지스터인데, 일반 TR과 달리 바이어스 저항 두 개가 내장되어 있습니다. 이런 부품을 업계에서는 디지털 트랜지스터 또는 바이어스 저항 내장 트랜지스터(BRT)라고 부릅니다. 쉽게 말해 TR 하나에 입력 저항(R1)과 베이스-이미터 저항(R2)을 한 몸으로 묶어놓은 부품입니다. KEC 데이터시트는 KRC101~KRC106 시리즈를 스위칭, 인터페이스 회로, 드라이버 회로 용도로 소개하고, 특징으로 내장 바이어스 저항, 회로 설계 단순화, 부품 수와 제조 공정 감소를 꼽습니다(출처: KEC, KRC101~KRC106 데이터시트 ). KRC101은 TO-92 패키지(허용 손실 625mW), 뒤에 S가 붙은 KRC101S는 SOT-23 패키지(200mW)입니다. 시리즈는 R1·R2 값에 따라 여섯 가지로 나뉘고, 이 값이 입력 문턱전압과 필요한 구동 전류를 결정합니다. 품번 R1 / R2 V I(ON) typ/max V I(OFF) min 전류이득 G I typ KRC101 4.7kΩ / 4.7kΩ 1.5V / 2.0V 1.0V 55 KRC102 10kΩ / 10kΩ 1.8V / 2.4V 1.0V 80 KRC103 22kΩ / 22kΩ 2.1V / 3.0V 1.0V 120 KRC104 ...

한 달에 2분씩 시간이 앞서거나 뒤처지던 장비 로그 때문에, 원인을 소프트웨어에서만 찾다가 일주일을 날린 적이 있습니다. 범인은 코드가 아니라 기판 구석에 박힌 지름 3mm짜리 금속 원통, 크리스탈과 그 옆의 작은 커패시터 두 개였습니다. TR 시리즈의 마지막 11편은 입력 신호 없이 스스로 진동을 만들어내는 발진회로 입니다. 콜피츠와 하틀리 같은 LC 발진부터 MCU 옆에 늘 붙어 있는 크리스탈 발진까지, 같은 뿌리에서 나온 회로들을 한 줄로 이어서 정리합니다. [발진회로] 발진회로란, 입력 없이 스스로 신호를 만드는 증폭기 발진회로(Oscillator) 는 직류 전원만 주면 외부 입력 없이 일정한 주파수의 교류 신호를 스스로 만들어내는 회로입니다. 시계의 박자, 무선 송신기의 반송파, MCU의 클럭이 모두 여기서 나옵니다. 원리는 의외로 단순합니다. 2편의 증폭기 출력 일부를 입력으로 되돌려주는 양성 되먹임(positive feedback)을 걸되, 그 신호가 한 바퀴 돌아왔을 때 처음 신호와 위상이 같아지도록 설계하는 것입니다. 마이크가 스피커 소리를 다시 주워 "삑" 하고 울리는 하울링과 같은 현상을, 원하는 주파수에서만 일어나도록 길들인 셈입니다. 이 조건을 바크하우젠 조건(Barkhausen Criterion) 이라 부릅니다. 쉽게 말해 "되먹임 한 바퀴를 돌았을 때 신호가 줄어들지 않을 것(루프 이득 1 이상), 그리고 위상이 0도 또는 360도로 맞아떨어질 것"이라는 두 가지 약속입니다. 이 두 가지가 정확히 맞는 주파수가 곧 발진 주파수가 됩니다. 그 주파수를 골라주는 부품이 인덕터와 커패시터로 이뤄진 LC 공진회로, 혹은 수정(크리스탈)입니다. 한 줄 요약 발진회로는 증폭기 출력을 입력으로 되돌리는 양성 되먹임 회로입니다. 루프 이득이 1 이상이고 위상이 맞아떨어지는 주파수(바크하우젠 조건)에서 스스로 진동을 시작합니다. 시동과 진폭 안정, 노이즈에서 시작해 스스로 멈춰...

인버터가 돌기 시작하면 멀쩡하던 전류 측정값이 갑자기 춤을 추던 설비가 있었습니다. 센서도, 증폭기도, 배선도 그대로인데 모터만 켜면 값이 흔들렸습니다. 범인은 신호가 아니라 신호 옆에 같이 실려온 노이즈였습니다. 9편까지 전력 변환 응용을 다뤘다면, 10편부터는 마지막 갈래인 신호 처리 및 발진으로 들어갑니다. 첫 주제는 노이즈 속에서 진짜 신호만 골라내는 TR 두 개짜리 회로, 차동증폭회로 입니다. 차동증폭회로란, 두 입력의 차이만 키우는 회로 2편에서 다룬 공통이미터 증폭회로는 입력이 하나였고, 그 입력이 접지 기준으로 얼마나 높은지를 증폭했습니다. 반면 차동증폭회로(Differential Amplifier) 는 입력이 두 개이고, 두 입력 사이의 전압 차이만 증폭합니다. 두 입력에 똑같이 실려 들어오는 성분은 증폭하지 않고 버립니다. 전원 노이즈나 주변에서 날아든 전자기 간섭(EMI)처럼 두 선에 동시에, 같은 크기로 얹히는 잡음이 대표적입니다. 이렇게 두 입력에 공통으로 실린 성분을 공통모드(Common Mode) 신호라 부르고, 두 입력의 차이를 차동모드(Differential Mode) 신호라 부릅니다. [차동증폭회로] 국내 전자회로 학습 자료에서도 차동증폭기를 두 입력 신호 간의 차이를 증폭하는 회로로 정의하며, 두 입력에 공통으로 존재하는 노이즈를 구조적으로 제거할 수 있는 점이 가장 큰 가치라고 설명합니다(출처: 위키독스, 차동증폭기(Differential Amplifier) 맛보기 ). 연산증폭기, 계측증폭기, 비교기, 통신 수신단까지, 아날로그 회로의 입구에는 거의 예외 없이 이 구조가 자리 잡고 있습니다. 한 줄 요약 차동증폭회로는 두 입력의 차이(차동모드)만 증폭하고, 두 입력에 똑같이 실린 성분(공통모드)은 억제합니다. 노이즈가 많은 환경에서 작은 신호를 읽을 때 쓰는 가장 기본적인 구조입니다. 롱테일 페어, TR 두 개와 꼬리 전류로 만든 대칭 구조 BJT로 만드는 가장 기본적인 차동증폭...

손으로 만져보면 미지근한데, 열어보니 파워 TR이 이미 죽어 있는 경우를 겪어본 적 있으신가요? 방열판을 아무리 크게 달아도 막을 수 없는 고장이 있습니다. 평균 발열은 멀쩡한데, 순간적인 전압과 전류의 조합 하나 때문에 소자가 즉사하는 경우입니다. 8편에서 리니어 레귤레이터의 발열 문제를 짚었다면, 9편은 전력 변환 응용의 마무리로 파워 트랜지스터의 방열 설계 와 데이터시트 속 가장 중요하면서도 가장 자주 무시되는 그래프, 안전동작영역(SOA) 을 다룹니다. 파워 TR의 발열, 열은 어디로 흘러가는가 [IRF540N의 내부구조] 파워 TR이 전력을 소모하면 그 에너지는 대부분 접합부(junction)에서 열로 바뀝니다. 이 열이 접합부에서 외부 공기까지 빠져나가는 길은 마치 전기 회로의 저항처럼 직렬로 이어진 여러 구간을 지나갑니다. 이 길 하나하나가 열이 지나가기 얼마나 힘든지를 나타내는 값이 열저항(Thermal Resistance, Rθ) 입니다. 열저항이란 쉽게 말해, 1W의 열이 지나갈 때 양 끝의 온도 차이가 몇 ℃나 벌어지는지를 나타내는 값으로 단위는 ℃/W입니다. 접합부에서 소자 케이스까지(Rθ JC ), 케이스에서 방열판까지(Rθ CS , 보통 절연패드나 서멀 구리스가 놓이는 구간), 방열판에서 주변 공기까지(Rθ SA ), 이 세 구간의 열저항을 모두 더하면 접합부가 주변 온도보다 얼마나 뜨거워지는지가 결정됩니다. 한 줄 요약 파워 TR의 열은 접합부→케이스→방열판→공기 순으로 열저항(℃/W) 구간들을 직렬로 통과합니다. 세 구간의 열저항을 모두 더한 값이 접합 온도 상승폭을 좌우합니다. 접합 온도 계산하기, 2N3055로 직접 풀어보기 이 세 구간을 합치면 접합 온도(T J )는 다음처럼 계산됩니다. T J = T A + P × (Rθ JC + Rθ CS + Rθ SA ) 대표적인 파워 TR인 2N3055로 예를 들어보겠습니다. onsemi 데이터시트 기준으로 이 소자의 Rθ JC 는...

배터리 전압이 살짝만 떨어져도 출력이 같이 흔들리는 현장 장비를 붙잡고, 레귤레이터 안의 패스 TR이 얼마나 배고픈 부품인지 뒤늦게 실감한 적이 있습니다. 7편에서 전류 제어 및 바이어스를 마무리했다면, 8편부터는 용도별 분류의 네 번째 갈래인 전력 변환 응용입니다. 그 첫 주인공은 리니어 레귤레이터 안에서 묵묵히 열을 뒤집어쓰는 패스 트랜지스터(Pass Transistor) 입니다. 78xx 같은 3단자 레귤레이터를 그냥 검은 부품 하나로만 보고 넘어가기 쉽지만, 그 안에는 TR과 오차증폭기가 실시간으로 밀고 당기는 정교한 되먹임 회로가 들어있습니다. 패스 트랜지스터, 가변저항처럼 동작하는 TR 리니어 레귤레이터의 핵심 구성은 크게 세 가지입니다. 기준전압을 만드는 레퍼런스(Reference) , 출력전압을 감시하고 조정 신호를 만드는 오차증폭기(Error Amplifier) , 그리고 실제로 전류를 흘려보내는 패스 트랜지스터 입니다. [패스 트랜지스터 동작원리] 패스 TR은 입력전압과 출력전압 사이에 직렬로 놓입니다. 1편에서 다룬 TR의 활성 영역 특성을 이용해, 베이스 전압을 미세하게 조정하면서 마치 가변저항처럼 컬렉터-이미터 사이의 저항을 실시간으로 바꿔가며 원하는 출력전압을 만들어냅니다. 그래서 리니어 레귤레이터를 흔히 "정교하게 제어되는 가변저항"이라고 설명하기도 합니다. 입력전압이 남는 만큼을 패스 TR이 저항처럼 깎아 없애면서, 그 나머지만 출력으로 내보내는 구조인 셈입니다. 한 줄 요약 패스 트랜지스터는 레퍼런스·오차증폭기와 함께 리니어 레귤레이터를 구성하며, 활성 영역에서 마치 가변저항처럼 동작해 입력전압 중 남는 만큼을 깎아내며 출력전압을 만들어냅니다. 오차증폭기와 피드백, 출력전압을 붙잡아두는 원리 패스 TR 혼자서는 출력전압을 정확히 유지할 수 없습니다. 부하가 변하거나 입력전압이 흔들리면 출력도 함께 흔들리려 하는데, 이걸 실시간으로 붙잡아주는 게 오차증폭기입니다. 출력전...

방열판 하나 아끼겠다고 설계한 전원 회로가, 한여름 폭염 속에서 정말로 스스로를 태워버리는 걸 목격한 적이 있습니다. 6편에서 전류미러를 다뤘다면, 7편은 전류 제어 및 바이어스 분류의 마지막 편입니다. TR을 위협하는 가장 근본적인 적, 열폭주(Thermal Runaway) 를 정면으로 다루겠습니다. 이름은 무섭게 들리지만 원리는 의외로 단순합니다. 온도와 전류가 서로 부추기는 악순환, 그 고리를 어떻게 끊어내는지가 오늘의 핵심입니다. 열폭주란, 온도가 전류를 부르고 전류가 다시 온도를 부르는 악순환 열폭주 는 TR 접합 온도가 올라가면 전류가 늘고, 늘어난 전류가 다시 접합 온도를 더 올리는 양성 되먹임(positive feedback) 현상입니다. 이 고리가 끊기지 않으면 온도와 전류가 서로를 끌어올리며 결국 TR이 파손될 때까지 폭주합니다. 2편에서 온도가 오르면 h FE 가 커져 동작점이 밀린다고 설명했는데, 열폭주는 이보다 훨씬 더 근본적이고 위험한 현상입니다. 특히 방열이 충분치 않은 파워 TR에서, 보호 대책 없이 방치하면 짧은 시간 안에 소자가 완전히 파괴될 수 있습니다. 이 악순환의 정체를 제대로 이해하려면, 온도에 따라 TR 안에서 실제로 무엇이 움직이는지부터 봐야 합니다. 한 줄 요약 열폭주는 온도 상승이 전류 증가를, 전류 증가가 다시 온도 상승을 부르는 양성 되먹임 현상입니다. 보호 대책 없이 방치하면 소자가 완전히 파손될 때까지 멈추지 않습니다. 온도가 흔드는 두 변수, ICBO와 VBE 열폭주를 일으키는 주범은 두 가지입니다. 하나는 컬렉터 차단전류(I CBO )로, 온도가 오를수록 기하급수적으로 커지는 특성이 있습니다. 실무에서 흔히 쓰는 경험칙으로 온도가 10℃ 오를 때마다 I CBO 가 대략 두 배로 뛴다고 봅니다. 다른 하나는 2편에서도 언급한 베이스-이미터 전압(V BE )입니다. 온도가 1℃ 오를 때마다 V BE 가 약 2.5mV씩 낮아지는데, 고정된 베이스 전압 회로라면 이만...

똑같은 회로를 옆에 나란히 붙여놓기만 하면 전류가 똑같이 복사될 줄 알았는데, 실제로는 채널마다 LED 밝기가 미묘하게 다르게 나와서 한참을 헤맨 적이 있습니다. 5편까지 스위칭 회로를 다뤘다면, 6편부터는 용도별 분류의 세 번째 갈래인 전류 제어 및 바이어스입니다. 그 시작은 아날로그 IC 설계의 뼈대라 할 수 있는 전류미러(Current Mirror) 회로입니다. 이름 그대로 전류를 거울처럼 복사해서 다른 곳에 그대로 흘려주는 회로인데, 이 '복사'가 왜 이론처럼 완벽하지 않은지 실무 경험과 함께 짚어보겠습니다. 전류미러란, 전류를 복사해서 나눠주는 회로 전류미러(Current Mirror) 는 한쪽 회로(기준 branch)에 흐르는 전류를 그대로 복사해, 다른 쪽 회로(출력 branch)에도 똑같은 전류를 흘려주는 회로입니다. 기본형은 TR 두 개와 저항 하나로 구성됩니다. [전류미러회로] 한쪽 TR은 베이스와 컬렉터를 서로 묶어놓습니다. 이렇게 연결하면 이 TR은 항상 활성 영역의 경계, 즉 다이오드처럼 동작하면서 저항을 통해 흘러들어오는 기준전류(I REF )를 그대로 받아들입니다. 두 번째 TR은 첫 번째 TR과 베이스를 공유합니다. 두 TR의 특성이 똑같다면, 같은 베이스 전압에서는 같은 컬렉터 전류가 흐르는 게 당연합니다. 그래서 두 번째 TR의 컬렉터에는 기준전류와 똑같은 크기의 전류가 그대로 '복사'되어 흐릅니다. 한 줄 요약 전류미러는 베이스와 컬렉터를 묶은 다이오드 연결 TR로 기준전류를 만들고, 베이스를 공유하는 두 번째 TR이 이 전류를 그대로 복사해 출력하는 회로입니다. 복사가 정확하려면, 두 TR의 VBE가 같아야 한다 이 복사가 정확하게 이뤄지려면 딱 한 가지 전제가 필요합니다. 두 TR의 베이스-이미터 전압(V BE )과 h FE 특성이 똑같아야 한다는 것입니다. 실제 반도체 IC 설계에서는 이 조건을 맞추기가 상대적으로 쉽습니다. 같은 실리콘 웨이퍼 위에...