목차

1. 실험 1에 대해

이 첫 실험에서는, 여러 가지 회로에 사용되는 칩 캐패시터와 칩 인덕터의 특성에 대해 알아보도록 하겠습니다. 휴대폰등의 고주파기기의 시장이 확대되고 그에 따른 개발 경쟁에 의해, 필요한 부품들도 점점 더 소형화되면서 고주파 특성도 급속히 개선되어 왔습니다. 우리 엔지니어들이 흔하게 사용하고 있는 칩 부품들이 (사용중인 주파수에서) 정말로 인덕터는 L로, 캐패시터는 C로 동작하고 있는 걸까요? 진짜로?

현재 시장의 칩 부품은 1005 (1mm * 0.5mm)타입이 주류를 이루고 있으며, 간혹 정밀 집적 장비에는 0603(0.6mm * 0.3mm) 타입의 크기들이 사용되고 있습니다. 여기서는 고주파기기에서 가장 흔히 사용되는 1005 타입의 칩 캐패시터와 칩인덕터의 특성에 대해 알아볼 것입니다.

이러한 칩 부품들 자체의 Q값등은 데이터시트에 잘 나와 있기 때문에, 여기서는 회로 내에서 사용된 경우를 가정하겠습니다. <그림 1-1>에 실험에 사용된 기판을 나타내었습니다. 길이 30mm의 마이크로 스트립 선로 (특성임피던스는 50Ω)의 중앙부 근처에 부품을 실장하고 삽입손실을 측정하였습니다. 그림에서 보여지듯이, 캐패시터는 선로와 GND 사이에 병렬로 붙이고, 인덕터는 선로 중간에 직렬로 붙였습니다.

<그림 1－11> 실험에 사용된 기판

 ○ 측정장비 : HP 8753D Network Analyzer (Full 2 port Calibration된 상태)
 ○ 사용된 부품 : Taiyoyuden사 1005 제품

2. 실험준비

실험을 시작하기 전에, 기판의 선로가 정말 50Ω 인지 측정, 확인해둡니다. 만약 이러한 입출력 선로의 임피던스가 특성임피던스와 차이가 있으면 측정 결과는 부정확해집니다. 선로의 삽입손실과 입력 VSWR의 측정 결과를 아래 <그림 1-2> 와 <그림 1-3>에 나타내었습니다. 전 대역에서 VSWR이 1.2 이하로 좋은 값을 보이므로, 실험용 기판으로서 문제가 없다고 볼 수 있습니다.

<그림 1－2> 실험용 기판의 특성 (삽입손실)

<그림 1－3> 실험용 기판의 특성 (VSWR)

3. Chip Capacitor의 특성

각각의 칩 캐패시터의 특성을 아래 <그림 1-4>에 나타내었습니다. 각 캐패시터의 SRF(자기 공진 주파수)는 1000 pF：약 200 MHz, 100pF：약 500 MHz, 10pF：약 1500 MHz, 1pF：약 4500MHz 인 것을 알 수 있습니다. 이를 보면, 바이어스 선로등의 노이즈를 제거하는 데 사용하는 디커플링(Decoupling) 캐패시터의 경우는, 사용하려는 주파수가 SRF 이내에 있는지를 잘 확인하고 사용해야 한다는 것을 알 수 있습니다. 만약 SRF를 넘어선 주파수라면, 이 캐패시터는 더 이상 C가 아니라 L로 동작하기 때문입니다.

하나의 캐패시터는 기본적으로 넓은 대역을 커버하지는 못합니다. 그렇다면, 여러 개의 캐패시터를 조합했을 경우에는 어떤 특성이 나타나는지 실험해보았으며, <그림 1-5>에 그 결과를 나타내었습니다. 여러 캐패시터를 조합하면 여려 군데에 공진점이 보이는 것을 알 수 있지요. 이를 통해, 특정 주파수의 임피던스를 민감하게 콘트롤 할 수 있는 캐패시터를 여러개 복합해서 사용하면, 여러 주파수 대역을 동시에 콘트롤 할 수도 있다는 것을 알 수 있습니다.

<그림 1－4> 각 Chip Capacitor의 특성

<그림 1－5> Chip Capacitor를 조합한 경우의 특성

4. Chip Inductor의 특성

칩 인덕터의 특성을 <그림 1-6>에 나타내었습니다. 각 인덕터의 SRF는 56nH：약 1400 MHz, 10nH：약 3900 MHz, 4.7nH：약 5800 MHz 임을 알 수 있습니다. 예전에 비해 고주파 특성은 정말 좋아진 값입니다. ^^ SRF가 좀더 높은 곳에 위치하도록 개선됨으로써, 사용가능한 주파수 범위가 더욱 넓어졌습니다.

<그림 1－6> 각 Chip Inductor의 특성

5. 마치며

본 실험에서 언급하고 싶은 얘기는, 칩 부품에는 SRF라는 것이 존재한다는 것입니다. 이러한 SRF를 경계로 하여, 캐패시터의 인덕터는 용량성(Capacitive)에서 유도성(Inductive)로 바뀌며, 반대로 인덕터는 유도성에서 용량성으로 바뀌게 됩니다. 즉 SRF를 넘어서면 더 이상 제기능을 할 수가 없게 되며, 이것은 각 소자가 가지는 기생 성분들로 인해 발생하는 것입니다. 캐패시터에 있는 기생 인덕턴스와 인덕터에 있는 기생 캐패시턴스가 문제가 되는 것이지요.

그래서 특히 증폭기와 같은 능동회로에 사용될 때는, 사용하려는 주파수 대역 이외의 특성까지도 중요하기 때문에, 사용되는 칩 부품의 주파수 허용범위를 잘 확인할 필요가 있습니다. 생각지도 않은 주파수에서 발진하는 일을 당할 수도 있고, 엉뚱한 고조파 특성으로 고생할 수도 있습니다. 같은 소자값이라 해도 메이커별로 또 메이커 내에서 부품 등급별로 SRF 특성은 많은 차이를 보이므로, 부품 선택시 유념하여 확인해야 할 부분입니다. 당연히 SRF가 큰 부품이 비싸므로, 가격과 성능의 한계를 잘 고려해야 겠지요?

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