[PCB EMI] 수동소자의 고주파 특성 (24)

이상적인 부품을 넘어 현실적인 모델링으로

전자 회로에서 자주 사용되는 수동 소자들은 저주파 환경에서는 비교적 단순한 역할을 수행합니다. 하지만 고주파 환경에서는 이들 소자의 이상적인 동작만으로 회로를 설명하기 어렵습니다. 실제 회로 성능에 영향을 주는 기생 성분을 정확히 이해하고, 이를 반영한 모델링이 이루어져야 고주파 회로에서의 예기치 않은 동작을 방지할 수 있습니다.

 

전선(Wire): 단순한 연결 그 이상

저주파 회로에서는 단순히 전류를 흐르게 하는 연결 수단에 불과한 전선도 고주파 환경에서는 기생 인덕턴스를 갖는 요소로 작용합니다. 전류가 흐르는 도체 주변에는 자기장이 형성되고, 전류의 변화율이 높을수록 유도 전압이 발생하여 실제로는 인덕터처럼 동작합니다. 또한, 고주파에서는 표피 효과로 인해 전류가 도체 표면으로 집중되어 흐르며 유효 전류 경로가 줄어들고, 이에 따라 전선의 유효 저항이 증가하는 현상도 나타납니다. 이 때문에 전선조차 고주파 모델에서는 직렬 인덕터와 저항 성분으로 표현해야 합니다.

 

저항(Resistor): 단순 저항이 아닌 복합 구조

저항기는 구조적으로 내부에 리드선과 박막, 탄소막 등의 물리적 형상이 존재합니다. 이러한 구조는 고주파에서 기생 인덕턴스와 기생 커패시턴스를 형성하게 됩니다. 특히 SMD 저항기의 경우, 크기가 작더라도 고주파에서 전극 간 전기장이 발생하여 커패시턴스 효과가 무시할 수 없게 됩니다. 따라서 고주파 회로에서는 저항기를 단순한 R이 아닌, R에 직렬 인덕턴스와 병렬 커패시턴스를 더한 모델로 표현합니다.

 

인덕터(Inductor): 이상적인 성능은 없다

이론적으로 인덕터는 에너지를 자기장에 저장하며, 주파수가 높아질수록 임피던스가 증가합니다. 그러나 실제 인덕터는 권선의 길이와 재질, 구조에 따라 ESR(등가 직렬 저항)과 권선 간의 기생 커패시턴스를 포함합니다. 특히 고주파에서 권선 사이에 형성된 커패시턴스는 공진 주파수를 형성하게 되며, 특정 주파수 이상에서는 인덕터가 오히려 커패시터처럼 동작하는 역전 현상이 발생할 수 있습니다. 따라서 고주파용 인덕터 선택 시 데이터시트의 주파수 응답 특성을 반드시 확인해야 합니다.

 

커패시터(Capacitor): 인덕턴스를 품은 커패시터

이상적인 커패시터는 전하를 저장하는 역할만 하지만, 실제 커패시터는 내부 구조와 리드선에 의해 직렬 인덕턴스(ESL)를 가집니다. 또한 유전체 재질의 손실에 따라 ESR도 존재합니다. 이 두 성분은 고주파에서 커패시터의 동작 특성에 영향을 주며, 특정 주파수에서는 공진 현상으로 인해 커패시터가 인덕터처럼 동작할 수 있습니다. 특히 RF 회로나 고속 디지털 회로에서는 이런 특성을 고려하지 않으면 필터 특성이 망가지거나, 노이즈 억제가 실패할 수 있습니다.

 

주파수에 따른 임피던스 변화 이해

저항은 이상적으로 주파수에 무관하지만, 고주파에서 기생 인덕턴스와 커패시턴스에 의해 주파수 특성이 변합니다. 인덕터는 일반적으로 주파수 증가에 따라 임피던스가 증가하지만, 공진 주파수 이상에서는 임피던스가 다시 감소할 수 있습니다. 커패시터는 주파수 증가에 따라 임피던스가 감소하지만, ESL로 인해 공진 이후에는 다시 증가하며 인덕터처럼 변하는 비선형 특성을 보입니다.

 

마무리하며

고주파 회로 설계에서는 수동 소자의 이상적인 성능만을 가정해서는 원하는 동작을 얻기 어렵습니다. 각 소자의 구조에서 기인한 기생 성분들을 고려한 등가 회로 모델을 사용해야 하며, 이러한 모델을 기반으로 시뮬레이션과 부품 선택을 해야 고속 신호나 RF 회로에서의 정확한 동작을 보장할 수 있습니다. 수동 소자의 고주파 특성을 이해하고 이를 회로 설계에 반영하는 것은 고성능 시스템의 기본 전제가 됩니다.