전자회로

한자: 電子回路
영어: electronic circuit

1 정의

전자기적인 현상으로 구성된 회로.

전자기적으로 특정 기능을 하는 소자들을 조합해 최종적으로 원하는 기능을 구현하며, 현대의 모든 전자기기는 이것을 내장하고 있다.

2 교과목

Microelectronics.

공대 전자공학부의 전공 과목 중 하나. 회로를 구성하는 소자들 중 전자의 양자역학적 특성을 이용하는 소자들의 특성을 이해하기 위한 과목이다. 학부 3학년에 배우기 시작하며, 고등 수준의 수학 및 회로이론에서의 일부 지식을 요구한다.[1]

난이도는 상상을 초월한다. 과목 이름이 전자회로이다 보니 "회로이론과 전자기학을 반쯤 섞어놓은 과목이겠구나" 생각했다가 말도 안되는 난이도에 겁먹고 재수강하는 사태가 대다수이다. 특히 초반 물성부분은 2학년 때 공부했던 반도체공학,물리전자공학의 내용이므로 충실히 숙지하고 넘어가지 않으면 뒤에서 나오는 BJT나 MOS에서 털리기(..) 십상이다.

난이도도 어렵다는 게 문제이지만 이 과목의 더욱 악랄한 점은 태생적으로 이 과목에 흥미를 느끼는 정신나간 학생들이 있다는 점이다. 남들은 익숙하지 않은 BJT와 MOS가 달린 회로분석조차 쩔쩔매지만 이들은 이런 회로도를 보면 더욱 좋아(..)하며 '이렇게 재밌는 과목을 왜 어려워 하지?' 라며 망언을 내뱉기도 한다. 따라서 좋은 학점을 받기가 어려운 과목이기도 하다. 전자기학과 같은 과목의 경우 원체 어려운 탓에 다들 공부를 포기해 위아더월드를 형성하거나 공식만 외워가도 어느정도 학점이 보장되는 반면 전자회로는 이 분야에 흥미를 느끼고 열심히 하는 학생들도 많은 탓에 학점받기가 굉장히 어려운 편. 물론 본인이 이 분야에 흥미를 느낀다면 한학기동안 행복한 학부생활(..)을 누릴 수 있다.

괴악한 난이도와 말도 안되는 분량때문에 많은 학생들이 전자회로를 포기하게 되지만, 사실 현대 전자기기에서 전자회로가 들어가지 않은 기기는 없다고 봐도 무방하다. 스마트폰은 물론이고 현대산업에 쓰이는 모든 회로에는 BJT와 MOS로 이루어진 증폭기를 사용하기 때문에 이 과목을 충실하게 공부를 해야 현업에서 살아남을 수 있다.

실제로 해보면 그리 어렵지 않다. 어차피 이 전공을 골랐으면 회로는 필수이니 회로를 직관적으로 이해하는 연습을 하는 게 좋다. 하다보면 약간 복잡한 회로 정도는 머리속에서 바로 임피던스나 gain을 구해낼 수 있다.

3 내용

Behzad Razavi의 저서 Fundamentals of Microelectronics를 참고했다.
Sedra의 Microelectronic Circuits도 참고할만한 교과서이다. 대부분의 학교에서 Sedra와 Razavi를 교과서로 채택하는데, Sedra의 경우 책도 두껍고 겉표지부터 무시무시하게(..) 생겼지만 나름 설명도 깔끔하고 매우 알찬 내용들로 담긴 책이다. 다만 연습문제가 살짝 아쉬운 편. Razavi의 경우 책은 평범하게 생겼지만 Sedra에 비해 내용이 난해하고 어렵다는 단점이 있다. 하지만 연습문제는 의외로 깔끔한 편이다. 상위권 학생들의 경우, 번역본보다는 원서를 보기를 추천한다. 책 내용이 원체 어려워 번역본을 봐도 이게 무슨소리인지 모르지만 의외로 원서로 볼 때 더욱 이해가 잘되기도 한다. 혹시 위키러 중에 대학원을 진학할 생각이 있다면 Razavi의 책을 본 후 대학원생 교재를 하나 더 구비하는 것이 좋다. 실제 현업에서는 채널 길이 변조(Chennal Length Modulation)와 람다, 몸체효과(Body effect)를 전부 고려해야 하기 때문이다.[2] Thomas L. Floyd 저자의 전자회로는 이것보단 상당히 쉽다.

이 과목에서 가장 기초가 되는 전자(Electron)와 양공(Hole. 정공은 일본식 한자어.)에 대해 배운다. 이러한 개념은 순수 반도체(Intrinsic Semiconductor)에 불순물인 3족,5족 원소를 추가함으로서 물질안에서 발생하는 현상에 대해 배우게 된다. 여기서 나오는 표류(Drift)와 확산(Diffusion)의 용어에 대해 확실하게 숙지해야 뒤에 나오는 P-N 접합(P-N Junction) 부분을 제대로 공부할 수 있다.
P-N 접합(P-N Junction)으로 이루어진 다이오드에 대해 공부한다. BJT,MOSMOS가??의 기본이 되는 능동소자이므로 회로도에서의 해석은 물론이고 전류-전압 특성그래프(I-V Curve) 또한 제대로 그릴 수 있어야 한다.
BJT에 대해서 공부하고 이를 회로도 안에서 해석할 수 있어야 한다. 회로이론에서와는 다르게 전자회로에서는 대신호(Large Signal Model)와 소신호(Small Signal Model)의 개념에 대해 완벽히 숙지하고 회로를 해석할 수 있어야 하며 이 개념에 익숙하지 않다면 재앙을(..) 맛볼 수 있는 단원이기도 하다. BJT를 포함한 회로의 임피던스를 구할 줄 알아야 하는데 많은 학생들이 여기서 포기하고 전과를 심각하게 고려하는(..) 부분이기도 하다. 회로이론에서 배웠던 키르히호프의 법칙과 태브냉의 법칙을 이용하여 구하거나 이쪽에 재능이 있다면 직관적으로도 구할 수 있다.
  • MOS 트랜지스터의 특성
MOS 소자에 대해 배우는 단원. 의외로 MOS는 BJT보다 쉬운데 R파이가 무한대이며 베이스(Base)에 전류가 흐르지 않기 때문이다.[3] 따라서 회로도에서의 해석은 BJT보다 훨씬 쉬운 편이다. 다만 BJT와 달리 동작영역에 신경을 쓰고 접근해야 한다. Cutoff, Triode, Saturation[4]에 따라 전류공식이 달라지기 때문이다. 또한 MOS부터는 Gm*r0[5]에 대해 지긋지긋하게 공부하게 된다. 뒷장에 나오는 주파수 응답(Frequency Response) 단원에서는 앞에서 배웠던 전류 거울(Current Mirror)과 회로이론에서 배웠던 보데 플롯(Bode Plot)이 쓰이므로 미리 회로이론 책을 봐두도록 하자.
MOS 주파수 분석을 배우기 전에 배우는 단원으로 Open-loop gain과 Closed-loop gain에 대해 확실하게 알고 갈 수 있다. 피드백 시스템은 전체적인 게인은 감소하나 input 또는 output의 bias condition이나 PVT variation에 대비하여 회로의 안정성을 극대화 할 수 있는 회로 설계의 방법 중 하나이다. 주파수 분석 이전에 배우는 이유는 피드백이 사용 방법에 따라 회로의 전체적인 bandwidth나 phase margin을 증가시킬 수 있는 강력한 도구이기 때문. Frequency compensation을 공부하다 보면 output의 첫번째 pole의 frequency를 증가시키면서(bandwidth의 증가) phase margin도 끌어내야 하는 미묘한 상황이 많이 발생하는데 피드백 시스템은 이를 조율해주는 하나의 도구로써 기능한다.
  • Op Amp(Operational Amplifier, 연산 증폭) 소자
BJT와 MOS를 이용한 증폭기에 대해서 배운다. 비반전 증폭기,반전 증폭기를 비롯한 일반적인 연산증폭기는 물론 학교에 따라 그 이상의 다른 증폭기, 예를들면 차동증폭기(Differential Amplifier)와 같은 증폭기도 배운다.
  • 필터
주파수 분석에서 빠질 수 없는 중요한 분야 중 하나. bandwidth를 제어하는 방법 중 하나로 회로이론에서 간단한 RLC 필터에 대해 공부했다면 전자회로에선 더 나아가 MOS과 함께 구현된 필터를 공부하게 된다. First-order 필터나 Second-order passive/active 필터는 말할 것도 없고 더 나아가 다양한 필터를 배우게 되는데 inductor를 MOS로 구현한 Antoniou Inductance-Simulation circuit이나[6] Capacitor와 스위치로 저항을 구현하는 Switch-capacitor filter, 좀 더 넘어가 한 회로의 여러 필터를 결합한 KHN(Kerwin-Huelsman-Newcomb) Biquad / Tow-Thomas Biquad, 고차 필터로 넘어가면 Butterworth LP 등등 수많은 필터를 분석해 볼 수 있는 유용한 단원이다.
제어공학을 배운 학생이라면 쉽게 느껴질 수 있을지도.
  • 디지털 회로
디지털논리회로를 배운 학생에게 익숙한 디지털 소자들을 MOS 관점에서 설계하는 방법을 배우는 단원. CMOS inverter와 논리 게이트(CMOS NAND/NOR gate)의 작동원리에 대해서 아주 자세하게 배울 수 있다. 특히 inverter의 noise margin이나 NAND/NOR gate의 Pull-up/Pull-down은 반드시 그 원리를 이해하는 것이 공부에 많은 도움이 된다.
일반적으로 이 책에서 배우는 디지털 회로 내용은 동작원리 이외엔 크게 멀어지지 않는데 조금만 파고들어가면 무궁무진하게 쏟아지기 때문. 따라서 교수들의 재량권이 매우 커진다. 특히 PLL이나 Data converter는 회로 설계 쪽을 연구하는 교수들에겐 중요하게 여겨지기 때문에 한번쯤 인터넷 검색을 해보는 것도 나쁘지는 않다.
이후 내용 추가 바람
  1. ↑ 고등수준의 수학이라 보기엔 공식이 전부이긴 하나 엄연히 필요하긴 하다. 특히 BJT 단원에서는..
  2. ↑ 학부생 교재에서는 짧게 설명하기만 하고 이후 전부 무시한다.
  3. ↑ 정확히는 흐르지만 학부수준에서는 이를 무시한다.
  4. ↑ 한글 용어는 차단,선형,포화
  5. ↑ Gm은 전압이득, r0는 MO의 채널 길이가 짧아짐에 따라 생기는 저항 성분이다. BJT에도 base가 짧아짐에 따라 마찬가지로 존재한다.
  6. ↑ Op-Amp도 들어있긴 하기만 Op-Amp도 엄연히 MOS로 만들어진 회로의 일종.