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1. 개요
電子回路 / electronic circuit전자기적인 현상으로 구성된 회로.
전자기적으로 특정 기능을 하는 소자들을 조합해 최종적으로 원하는 기능을 구현하며, 현대의 모든 전자기기는 이것을 내장하고 있다.
전자 회로를 구성하는 기본 요소로는 전원(Power Source), 부하(Load), 전선(Conductor)이 있다.
2. 교과목
Microelectronics.회로이론에서 능동소자에 대한 분석을 수동소자의 결합 대신 능동소자 그 자체로 해석하는 학문이며 전자공학과의 전공과목 중 하나이다.[1] 회로를 구성하는 소자들 중 전자의 양자역학적 특성을 이용하는 소자들의 특성을 이해하기 위한 과목이다. 4년제 대학 기준으로 학부 3학년에 배우기 시작하며[2], 학교에 따라 단학기로 배우거나 1, 2로 나누어 1년동안 배운다. 여기에 실험 또는 설계까지 배우는 학교도 많다. 선이수과목으로 회로이론(학교에 따라서는 명칭 '전기회로')을 요구한다. 물리전자의 일부 지식도 알면 유용하다.
전기전자공학과에서 배우는 과목 중에서도 핵심과목이라 할 수 있다. 사실상 회로이론과 반도체공학의 심화버전. 2학년 때는 두 과목을 따로 배웠다면 이 과목에서는 회로에 반도체소자가 존재한다. 때문에 난이도가 상당히 높은 편이다. 2학년 때 주로 배우는 회로이론, 물리전자, 반도체공학의 내용을 잘 숙지하고 있어야 하는데 혹시 잊어버렸다면 방학 때 한번쯤 복습과 예습을 해두자. 의외로 전자기학은 거의 쓰이지 않는다.[3] 또한 사칙연산 이외의 수학이 잘 쓰이지 않는다는 점도 의외라면 의외다. 정확히는 원래대로 하면 해석하기 까다로운 모델을 선형적으로 근사시켜 사용하는 것에 가깝다.
많은 전자공학과 학생들이 힘들어하는 과목이지만 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 공부해야 현업에서 살아남을 수 있다.
대학원 진학을 생각하고 있다면, 분야에 따라서는 전자공학과만이 아니라 물리학과, 기계공학과 등에서도 실험과 연구와 같은 이유로 이 과목에 대한 이해가 어느 정도는 필요하다. 연구 과정에서 회로를 만들어야 할 일이 꽤 많다. 실제로 일부 학교에서는 학부 때부터 두 학과에 전자회로와 비슷한 과목이 열리는 경우가 있다.
3. 내용
Behzad Razavi의 저서 Fundamentals of Microelectronics를 참고했다.Sedra의 Microelectronic Circuits도 참고할만한 교과서다. 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. 대학원을 진학할 생각이 있다면 Razavi의 책을 본 후 대학원용 교재를 하나 더 구비하는 것이 좋다. 실제 현업에서는 몸체효과(body effect) 등의 이팩트를 전부 고려해야 하기 때문이다.[4] Floyd는 타 교재에 비해 쉽기 때문에 주로 전문대학에서 채택하는 교재이다.[5]
- 반도체 물질 자체의 특성
이 과목에서 가장 기초가 되는 전자(Electron)와 양공(Hole. 정공은 일본식 한자어.)에 대해 배운다. 이러한 개념은 순수 반도체(Intrinsic Semiconductor)에 불순물인 13족, 15족 원소를 추가함으로써 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. 여담으로 이 부분은 고등학교 물리1 교과에 나오는 내용이기도 하다.
- 다이오드의 특성
P-N 접합(P-N Junction)으로 이루어진 다이오드에 대해 공부한다. BJT, MOS의 기본이 되는 능동소자이므로 회로도에서의 해석은 물론이고 전류-전압 특성그래프(I-V Curve) 또한 제대로 그릴 수 있어야 한다.
- 바이폴라 트랜지스터(BJT: Bipolar Junction Trasistor)의 특성
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.[6] 따라서 회로도에서의 해석은 BJT보다 훨씬 쉬운 편이다. 다만 BJT와 달리 동작영역에 신경을 쓰고 접근해야 한다. Cutoff, Triode, Saturation[7]에 따라 전류공식이 달라지기 때문이다. 또한 MOS부터는 g_m*r_o[8]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. - 피드백 시스템
MOS 주파수 분석을 배우기 전에 배우는 단원으로 Open-loop gain과 Closed-loop gain에 대해 확실하게 알고 갈 수 있다. 제어공학 과목을 들었다면 더 수월하게 배울 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), 계측증폭기(Instrumentation 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[9] 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 수도 있다.
- 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 Noise margin이나 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.
- ADC/DAC/Digital Signal Processor
디지털과 아날로그 변환 및 각종 디지털신호처리에 대해 배운다.
4. 관련 문서
- 논리 회로(logic circuit)
5. 각종 시험에서의 출제
국가기술자격시험의 경우, 전자기사(제 3과목) 및 전자산업기사(제 1과목)의 수험과목 중 하나가 전자회로이다. 무선설비기사 및 무선설비산업기사의 제 1과목은 디지털전자회로이다.7급 공개경쟁채용시험 국가직 방송통신직 전송기술직류 제4과목으로 출제된다.
[1] 전기공학과에서도 개설되는 학교도 있다.[2] 학교에 따라서 2학년 2학기에 시작할 수도 있다.[3] 당연한 게 전송선만 해도 머리가 아픈데, 회로이론에다가 3차원에서의 맥스웰 방정식을 일일이 적용해서 푼다고 생각해 봐라 그야말로 머리가 빠개진다. 우리가 보통 쓰는 회로 이론은 과학자들과 공학자들이 머리를 맞대고 거시적인 관점에서 들어맞게끔 만든 모델이다. 당연히 회로이론이나 전자회로에서 가정한 것을 실제로 적용하면 전지가 왜 전기퍼텐셜을 만드는지에서도 막힌다. 심지어 이 문제는 전기 전문가들조차 전자기학을 박사학위까지 전공하지 않았다면 모른다. 대학원생이라면 모를까 학부생은 이런것까지 고민할 이유가 전혀 없다. 다만 대학원의 경우에도 회로 분야 연구실이라면 근사화된 회로 모델을 이용해서 회로를 설계하는 방법을 주로 연구한다. 전기전자공학과에서 전자기학을 직접적으로 사용하는 분야는 반도체 소자, 전파, 전력 분야 정도이다.[4] 몸체효과는 학부 3학년 수준에서는 반도체소자 같은 이웃 과목에서 짧게 설명하기만 하고 이후 전부 무시한다. NMOS 기준 source(n+)와 body(p)의 전압이 같지 않다고 놓는 것이다. 단 여기서는 역방향 바이어스(source에 +전압, body에 -전압)만 고려해야 하고, 이때 source와 body 사이에 공핍층(depletion layer)이 생기면서 이 공핍층의 캐패시턴스에 의해 MOSFET의 문턱전압이 높아진다. 그런데 만약 source와 body 사이에 순방향 바이어스(source에 -전압, body에 +전압)를 인가하게 되면 흐르라는 source-drain 사이 채널로는 전류가 안 흐르고 애먼 source-body 사이에 전류가 흐르게 되므로 전류 흐름이 게이트 전압의 통제를 전혀 못 받고 MOSFET이 제멋대로(의도치 않은 방향으로) 동작하는 수가 생긴다. 한마디로 통제불능[5] Floyd는 JFET이나 사이리스터 같은 고전압소자들도 다룬다. Razavi나 Sedra가 집적회로를 중점으로 다룬다면 Floyd는 전기과에서 다룰주제들도 설명하기 때문에 스타일이 조금 다르다.[6] 정확히는 흐르지만 학부수준에서는 이를 무시한다.[7] 한글 용어는 차단,선형,포화[8] g_m은 트랜스컨덕턴스(전압을 전류로 변환하는 비율), r_o는 MOS의 채널 길이가 짧아짐에 따라 생기는 가상의 저항 성분이다. BJT에도 base가 짧아짐에 따라 마찬가지로 존재한다.[9] Op-Amp도 들어있긴 하기만 Op-Amp도 엄연히 MOS로 만들어진 회로의 일종.