RF 회로개념 잡기 - PART 2 ▶ Oscillator (발진기)

RF 시스템에 절대로 없어서는 안될 주연배우들 중 하나인 오실레이터(oscillator, 발진기)의 역할과 원리를 이해하고, 발진기란 정확히 '무엇인가'와 '왜 존재하는가?' 에 대한 개념을 잡는 시간을 가져보도록 하겠습니다.

 

발진기의 존재이유

주파수원입니다. 만약 1GHz 의 주파수가 필요하다면 그 주파수원은 어디서 끌어올까요? 누군가 1GHz의 sine파형 신호소스(source)가 필요하다면, 그것을 누군가 만들어내야겠죠. 바로 그런 역할을 하는게 oscillator입니다. 웬 당근말밥같은 소릴 하나 싶을 지는 몰라도 그래도 한번 정의는 하고 넘어가야 할 것 같아서.. ^^;;

어떤 주파수를 쏘고자 한다면, 그 주파수원 자체는 누군가 만들어야 할 것이고, 그냥 그 역할을 하는 놈이 발진기인 것이지요. 일반적으로 저주파에선 크리스탈류의 자가공진 발진기를 이용하지만, 그것들은 정말 저주파에서밖에 못씁니다. 고주파에선 능동소자와 DC 전원을 이용하여 특정한 주파수의 신호를 생성해내는 테크닉으로 발진기를 만들어내게 됩니다. 여하튼 근원적인 sine wave source 라 이겁니다. 일단 해당 주파수의 소스가 있어야 변조를 걸어서 신호를 싣던 말던 하지요~ 그렇기 때문에 발진기 역시 RF 시스템에서 없어서는 안될 핵심중 하나가 됩니다.

 

Local Oscillator (LO, 국부발진기)

발진기가 특정 주파수원을 만들어내는 주파수원 소스로 동작한다는 건, 초심자라 하여도 그다지 어렵지 않게 받아들일 수 있습니다. 그리고 이런 발진기의 주파수원은 결국 대부분 LO(국부발진기)로서 사용됩니다. 앗! 그런데 이게 뭔소리랍니까?.. 국부발진기라뉘.. 대부분의 초심자분들은 여기서 덜컥 막혀버립니다. 국어사전에서 '국부'라는 단어를 찾아보면 아래와 같은 뜻이 있습니다.

국부 (局部) [-뿌]
전체 가운데의 한 부분. ¶ ∼ 묘사.
몸의 한 부분. 국소(局所). ¶ ∼ 마취 / ∼ 절개.
‘음부(陰部)’를 완곡하게 이르는 말.

행여 ③번의 의미라고 이해하실 분은 안계시겠죠. -.-;
물론 ①번의 의미입니다. 전체가 아니라, 어딘가 특정한 부분에 영향을 미친다는 의미를 품고 있습니다.

Local 이란 말도 우리말로 "어떤 지역에 한정된" 의 의미를 가진 영어입니다. 이 말은, 그 자체로 존재한다기 보다는 어떤 부위에만 사용된다는 말을 포함하고 있습니다. Local oscillator, 우리말로 국부발진기라고 해석되는 이것은 RF 시스템에서 Mixer에 기준 주파수원을 공급해주기 위한 주파수 소스원을 말하지요. 별다른 용도가 아니라 마치 믹서의 부속품인양, 사용해야 하는 위치가 고정되었다는 의미입니다. 이것은 시스템과 믹서의 역할을 어느정도 이해해야 LO의 존재이유나 목적을 파악할 수 있습니다.
참조 > RF 송수신 시스템의 이해

중요한 것은, 실제로 사용하는 carrier 주파수가 아니라 믹서의 주파수변환용 주파수로 주로 이용된다는 것입니다. 쉽게 말해서 836.5MHz를 사용하는 cellular에서 836.5 MHz의 주파수 소스가 필요한 것이 아니라는 것이죠. 실제로 IF 주파수를 뺀 값, 예를 들어 45MHz의 IF를 사용한다면 실제로 필요한 Mixer의 주파수합성용 주파수는 836.5 MHz - 45MHz = 791.5 MHz이며, 이것이 LO가 밀어줘야 할 주파수가 됩니다.

결국 LO란 말은 이런 의미를 내포하고 있습니다. 실제로 사용되는 주파수의 발진기가 필요한게 아니라, 믹서와 IF주파수에 의존하여 발진주파수가 결정되는, 한정적이고 국한된 발진기입니다.

여하튼 핵심은.. 수퍼헤테로다인 중심의 통신시스템에서 발진기는 거의 LO로 사용된다는 것입니다.

 

발진기의 동작원리

발진기의 동작원리는 증폭기류의 발진현상(oscillation)과 원리적으로 동일합니다.

발진이 뭐길래? 에서 본 것처럼, 어떤 feedback loop와 gain을 가지면 특정 주파수원의 에너지가 뺑뺑이를 돌며 누적되게 됩니다. 그런데 이런 발진의 경우, 무언가가 하나가 빠져있습니다. 이러한 임의의 발진 메커니즘의 경우는 정말로 어떤 주파수에서 발진이 뜰지 알 수가 없습니다. 즉, 주파수선택을 할 수 있는 무언가가 빠져있습니다. 주파수선택이라!?! 열심히 RFDH 기초강의실을 공부하신 분이라면 바로 생각나시는 것이 있을 것입니다. 바로, 공진(resonance)입니다.

참고로 여기서 잠시.. 본 회로개념강의는 기본적으로 이전단계의 기초강의실의 내용들을 이해하고 있어야 합니다. 기본적인 개념없이  (마음이 급하니까) 무작정 회로를 이해하려 드는 것은, 알파벳도 안외우고 영어회화 공부하는 것과 같습니다. 그런 점에서 많은 초심자분들이 회로를 어렵다고 느끼시는 것인데, 순서가 틀렸기 때문입니다. 반드시 이전의 기초강의 자료를 먼저 보시고 나서 본 회로개념 강의를 보시길 권해드립니다.

즉 이렇게 gain을 가지는 loop에, 정확히 원하는 주파수를 선택해서 발진시킬 수 있는 공진부(resonator)가 필요한 것입니다. 그렇게 loop속에 공진부가 존재함으로써, loop안에서는 공진부에 의해 선택된 특정 주파수만 뺑뺑이를 돌게 만듭니다.

 그렇습니다. 저렇게 의도적인 뺑뺑이 feedback이 존재하고, 그 뺑뺑이의 loop중에 특정주파수만 감쇠가 되지 않게(즉 주파수 선택특성을 갖도록) 공진부를 삽입하게 되면, 드디어 우리가 원하는 주파수만 확 발진해 버리는 것입니다. 이것은 소위 발진을 규명하는 feedback theory라 불리우는 것으로서, 발진의 원리를 쉽게 설명해주는 명쾌한 이론입니다.

 

Negative Resistance (부성저항)

발진기를 다루다보면 꼭 나오는 용어인 이 부성저항이란 의미는 처음 들으면 당혹스러운 개념입니다. 저항이 어떻게 마이너스 값이 될 수 있을까요.

일반적으로 저항(resistance)란 개념은, 입력된 전력을 열로 소모하는 그야말로 소모성 소자입니다. 이 경우 당연히 저항은 양(+)의 기호가 됩니다. 그렇다면 음(-) 저항이란 무슨 뜻일까요? 그것은 결국 저항의 개념의 연장선 그대로 이해할 수 있습니다. 양의 저항값이 전력을 소모한다면, 음의 저항이 의미하는 것은 전력을 생성해낸다는 의미입니다.

실제로 이 부성저항이라는 말은, 어떤 물리적으로 존재하는 특수 저항소자를 말하는 것은 아닙니다. 엄밀히 말해서 저렇게 전력이 생성되는 과정을 표현하기 위해 만들어진 '개념적' 용어입니다. 마치 발진의 에너지원처럼 표현되지요. 그래서 DC전원을 받아서 RF전력으로 변환해내는 발진기와 관련하여 주로 사용되는 용어입니다.

이것은 결국 마치 입력측에서 신호가 반사되는 개념처럼 묘사됩니다. 아시다시피 일반적으로 반사되는 전력은 입사되는 전력보다 작아야 정상이라고 합니다. 하지만, 발진상태에서는 반사계수가 1 (0dB)를 넘어서게 됩니다. DC만 인가한 상태에서 RF 입력 없이도 새로운 주파수의 RF신호를 만들어내서 반사전력에 들어가 버리는 것이지요. amp나 active mixer 설계시 반사계수가 1을 넘어 버리면 보통 발진이 일어나고 있다고 판단하는 것과 동일합니다. 그 발진이나 이 발진이나 원리적으로 같은 것이기 때문이지요.

이렇게 입력측에서 반사되는 전력이 입력측으로 나간 전력보다 더큰 전력이 되어 돌아오기 때문에, 입력측의 부하가 전력을 소모하는 +저항성분이 아니란 것을 알 수 있습니다. 이것을 설명하기 위해서는 음의 저항이라는 개념이 필요하고, 그것을 쉽게 표현하기 위해 부성저항이라는 개념을 만들어 사용하게 되는 것이지요.

그렇다면 negative resistance 개념은 위에 설명한 feedback 방법과 다른 얘기일까요? 그렇지는 않습니다. 둘다 맞습니다. 이것은 엄밀하게 말해서 어떤 설계 방법의 차이가 아니라, 해석하는 관점의 차이입니다. 발진기의 원리를 이해하는데는 보시다시피 feedback 이론이 이해가 쉽습니다. 하지만 microwave 대역의 발진기 설계에 있어서는 negative resistance의 개념으로 접근하여, S11과 부하저항의 값을 통해 설계결과를 검증하는 것이 유리한 경우가 많습니다.  결과적으로 feedback에 의해 축적되는 발진주파수 에너지 생성은 negative resistance로 표현될 수 있다 라는 식으로 정리가 됩니다.

 

발진 조건 (Oscillation condition)

negative resistance 개념을 이용하여, 입력측의 임피던스 값을 통해서 발진 상태를 체크할 수 있는데, 그것의 기초가 되는 기본적인 발진조건은 아래와 같습니다.

▶ 초기발진 조건

: 일단 입력쪽의 부성저항의 크기가 출력의 부하저항보다 절대값이 커야합니다. 
  이 조건이 만족되어야 발진이 시작됩니다.

▶  정상상태 발진 조건 (steady state)

: 발진이 시작되면 부성저항의 크기의 절대값이 줄어들어가는데, 이때 그 값이 출력 부하저항의 값과 같아지면 발진의 증가가 멈추고 고정됩니다. 아래그림은 시간이 지날수록 발진기가 정상상태로 들어가는 과정을, 출력 sine wave의 파형을 통해 관찰한 그림입니다.

feedback loop와 공진기를 통해 뺑뺑이 돌기 시작한 주파수신호는 계속 gain단을 통과하면서 점점 커지게 됩니다. 이때 부성저항의 절대값이 부하저항과 같은 크기가 되면, 발진신호의 크기 증가가 멈추고 정상상태에 도달합니다. 그전엔 비정상(非正常)이었다는 얘기가 아닙니다.(^^;) 여기서 정상(定常)이란 의미는 steady, 즉 늘 일정한 상태에 도달했다는 뜻입니다. 즉 일정하게 정해진 주파수와 크기의 sinewave 신호를 조용히 쭈--욱 내보내고 있는 상태입니다. 마치 자동차의 시동을 거는 것처럼 발진기는 이런 시동시간(실제로는 매우매우 짧은 시간이지만)이 존재합니다.

이렇듯 negative resistance란 개념을 이용하여 발진의 시작과, 정상상태 도달, 발진신호의 크기 증가량 등 여러 개념을 다룰 수가 있습니다. 그냥 임피던스 값만 읽어도 많은 정보를 얻을 수 있으며, 실제로 설계에 들어가보면 negative resistance란 개념은 아주 단순한 개념처럼 쉬워집니다. 그냥 입력 임피던스를 읽었더니 음이더라.. 발진기니까!!

▶  Stability factor, K

뭐, 당연한 얘기지만 증폭기와는 반대로 안정도 factor가 1보다 낮아야지만 발진이 가능합니다.
이정도는 기본이죠.

마찬가지로 smith chart에서 stability circle을 볼 때 불안정 영역에 임피던스가 존재해야 발진이 이루어집니다.

소위 발진기용에 적합한 능동소자는 이 그림에서 불안정 영역이 더 크게 나타나는 소자들을 말합니다. 그래야 발진조건을 잡기가 쉬우니까요. 일부 특이한 성격을 가진 diode들은 오른쪽과 같이 S11이 1보다 큰 경우가 있는데, 즉 자체적으로 negative resistance를 가지고 있는 소자들입니다. 그런 diode들은 불안정 영역이 넓어서 발진을 만들기가 쉽습니다.

일반적인 transistor 발진기 설계에 있어서는, 왼쪽 그림에서처럼 S11이 1보다 작은 경우가 많기 때문에 발진이 가능한 불안정 영역이 그리 넓지 않은 경우도 많습니다. 고로 좀더 세심한 주의로 불안정한 임피던스 점을 잡을 수 있도록 매칭하고 공진시켜야 합니다.

 

발진기의 구성

크~게 보면 두가지로 분류할 수 있습니다.

▶  Transistor Oscillator

가장 쉽게 생각나는 것은 역시 능동소자인 Tr을 이용하는 것입니다. 소자 특성에 따라 FET와 BJT를 적절히선택하고, 입력측에선 negative resistance 조건이 발생하도록, 출력측은 출력 주파수 신호가 잘 출력되도록 임피던스 매칭을 하게 됩니다.

여기서 Transistor는 3개의 단자중 어떤 단자를 접지시키더라도 발진기의 구성은 가능합니다. 하지만 일반적으로는 증폭기와 마찬가지로 FET의 경우는 source를, BJT의 경우는 emitter를 접지시킨 구조를 주로 이용합니다. 이는 증폭기의 특징에서 알 수 있듯이, 가장 높은 출력을 얻을 수 있고 튜닝이 용이하기 때문입니다.

RF에서 이용되는 대부분의 발진기들은 이런 BJT/FET를 이용하여 불안정 조건을 만들고, negative resistance 조건이 생성되도록 feedback network와 공진기를 구성하고, 출력 매칭을 통해 완성되게 됩니다. Transistor를 이용한 발진기 구성은 실제로는 매우 다양한 방법이 존재하는데, 기본적인 구성도는 위의 diagram을 크게 벗어나지는 않습니다.

▶  Diode Oscillator

간혹 Transistor만이 능동소자라고 착오를 하시는 분들이 계신데, diode도 엄연히 비선형 특성을 가진 능동소자에 속합니다. 다만, diode는 bias 인가 없이도 비선형 동작특성을 할 수 있는데 그때는 수동소자에 속한다고 볼 수도 있습니다. 하지만 발진기에 사용되는 diode는 어떻게든 DC전원을 끌어다가 AC신호로 변환해야 하는 완전한 능동소자처럼 동작합니다. 그래서 단순히 Bias 입력 유무만으로 능/수동을 구분하기는 다소 애매한 부분이 있습니다.

모든 Diode를 이용하여 발진기를 만들 수 있는 것은 아니고.. 발진기용으로 딱인 diode는 따로 있습니다. 바로 Gunn diode와 IMPATT diode가 그런 용도로 애용되는 diode입니다. 이넘들은 특이하게도 저 위의 스미스차트 오른쪽 그림과 같이, 그냥 그 자체로 negative resistance를 갖고 있기 때문에 적절한 DC bias와 출력조건만 잡아주면 깨끗하게 잘 발진합니다.

다만 이 두 diode는 가격이 비싸고 구조적 크기 문제도 있기 때문에, 상용화된 대량생산용 RF보다는 양보다 질로 승부하는 millimeter wave 분야에서 주로 사용되게 됩니다.

 

공진기 (Resonator)

어쨋거나 발진기의 주파수선택의 핵심은 공진기에 있으며, 다양한 방식으로 구성이 가능합니다.

▶  LC 공진

단순하게 생각하면 LC lumped 소자만으로도 간단히 공진을 유발할 수는 있습니다. 하지만 초고주파 발진에서 사용하려면 Q값이나 기타 문제로 사용이 제한적입니다. 고로 저주파에선 쉽게 사용되지만, lumped element 특성상 고주파에선 적용이 쉽지 않을 수 있습니다.

그래서 초고주파에서는 단순히 L,C 소자를 이용하기 보다는 microstrip + 가변 capacitor(varactor)의 조합으로, 주파수 튜닝이 가능하게 만들어지는 경우가 많습니다. 여기서 Microstrip 공진기는 LC 공진기처럼 inductor와 유사한 역할을 하고 있습니다.

▶  Microstrip 공진

마이크로스트립 선로를 이용한 각종 공진기를 사용할 수 있습니다.

위와 같이 다양한 마이크로 스트립 공진기가 존재하는데, 이중 hair pin 형태가 튜닝이 쉽고 기능성/집적성이 뛰어나서 애용되는 편입니다. 경우에 따라서는 저 위의 그림처럼 단순히 달랑 마이크로스트립만으로 공진기를 구성하고, varactor를 함께 이용하여 주파수가변형식으로 구성하기도 합니다.

▶  DR (Dielectric Resonator)

고주파에서 상당히 애용되는 공진기가 바로 DR(유전체 공진기)입니다. 모양새는 주로 아래와 같이 원통모양의 DR을 microstrip 선로 옆에 적당한 위치에 배치함으로써 선로와 함께 특정주파수의 공진을 유도하는 것입니다.

이것의 장점은 온도안정성이 좋고, 높은 Q값을 얻을 수 있다는 것입니다.
이와 관련하여 시장에는 다양한 유전율과 크기의 DR들이 출시되어 있습니다.

▶  기타

그외에 도파관이나 동축선 등의 공진기를 이용하여 공진부를 구성할 수 있으나, 부피문제로 인해 제한적으로 사용되고 있습니다.

 

VCO (Voltage Controlled Oscillator, 전압조정발진기)

자, 여하튼 특정한 주파수의 주파수원을 만들었다고 치지요. 위의 원리에서 본다면 발진기는 단 하나의 주파수원을 만들어내는 것처럼 보입니다. 그렇지만 시스템에서 하나의 주파수만 쓰는 경우는 별로 없습니다. 정해진 대역 (band) 내에서 여러주파수를 골라가며 사용하는 경우가 많지요. 그럴려면 해당되는 주파수들을 만들어내는 발진기가 일일이 따로 있어야 될텐데, 그렇게 할 필요가 있을까요?

발진기의 원리에서 보여지듯이, 주파수를 결정(또는 선택)하는 곳은 공진부입니다. 공진이라는 말 자체가 특정 주파수만 선택하는 것이므로, 이 부분을 가변할 수 있다면 공진주파수를 바꿀 수 있을 것처럼 보입니다.

공진의 이해 에서 알 수 있듯이, 공진은 기본적으로 인덕턴스(L)와 캐패시턴스(C) 성분의 에너지교환에 열쇠가 있습니다. 그러므로 공진부의 특성을 가변하려면, L이나 C에 해당할 만한 성분을 가변하게 됩니다. 굳이 두 개를 바꿀 필요없이 어느 한쪽만 바꾸어도 공진주파수는 쉽게 가변시킬 수 있습니다. 그중 가장 일반적이고도 흔히 사용되는 방식은 공진부의 캐패시턴스를 가변시키는 방식입니다. 그것은 배렉터(varactor)라는 편리한 다이오드를 이용하여 이루어집니다. 배렉터 다이오드는 가해지는 전압에 따라 캐패시턴스값이 변하는 다이오드입니다. 쉽게 말해서 전압가변 캐패시터입니다.

결국 아래와 같은 과정으로 발진기의 발진주파수를 가변할 수 있게 됩니다.

전압변화 -> 배렉터의 캐패시턴스 변화 -> 공진부의 공진주파수 변화 -> 발진주파수 변화

바로 이러한 원리를 이용하여 만들어지는 것이 전압조정발진기, 소위  VCO(Votage Controled Oscillator)입니다. 전압을 조정하면 발진주파수가 변화하니까요.  이렇듯 시스템에서 원하는 주파수를 생성해내기 위해서는, 정해진 사용 주파수대역 범위내의 어떤 주파수라도 생성해낼 수 있는 VCO가 필요합니다.

실제로 VCO는 전압에 의해 가변되지만, 온도변화나 전압불안정과 같은 외부적 영향에 약하다는 문제점이 있습니다. 즉 원하는 발진주파수가 고정되지 않고 흔들리게 되는데, 원천적인 source가 흔들려 버리면 시스템이 정상적으로 동작할리가 만무합니다. 그래서 VCO는 주파수안정성을 향상시키기 위한 각종 테크닉이 필요한데, 이런 일련의 과정을 간단히 locking(락킹, 주파수고정)이라고 말하기도 합니다.

우리가 흔히 듣게 되는 PLL(Phase locked loop)은 바로 이렇게 특정한 주파수원이 외부영향에 의해 변화되지 않고 고정시켜주기 위한 목적으로 RF에서 애용되는 회로구성법입니다. VCO는 흔히 PLL의 부속품처럼 여겨지지만, RF입장에서 엄밀하게 순서를 따지자면 PLL은 VCO의 주파수가변과 고정을 원활하기 위한 강력한 도구이자 방법론의 하나입니다.

결과적으로 이런저런 사연으로, 우리가 RF에서 발진기라 부를 만한 놈은 대부분 VCO와 같이 전압가변이 가능한 형태로 만들어집니다. 같은 값이면 다홍치마죠.

 

Phase noise (위상잡음)

발진기의 신호품질을 규정하는 대표적인 성능지표가 바로 phase noise입니다. 위상잡음이라.. 처음들으면 상당히 모호한 단어입니다만, 사실 그 정의자체는 비교적 간단합니다.

원래 특정 주파수에서만 공진이 일어나도록 유도되어 만들어진 발진기 출력신호는, 정말 그 주파수에서만 떠야 정상입니다. 아래 그림처럼 깨끗한 사인파형이라면, 그 주기의 역수만으로 대꼬챙이처럼 샤프한 주파수 성분이 spectrum상에서 관찰되어야 정상입니다.

하지만 실제로는 날카롭고 샤프하게 뜨지 못하고 주변에 뭔가 떨거지들을 만들어냅니다. 잘 아시다시피, 주파수 스펙트럼상에 주파수원 신호를 확대해보면 예외없이 아래 오른쪽 그림과 같은 형상으로 나타나게 됩니다.

원래는 자기 주파수에서만 막대기처럼 볼록~하게 주파수성분이 떠야하는데, 실제로는 그렇게 되지 못한다는 것입니다. phase noise란 바로 저 꼬챙이 옆의 불필요한 주파수에너지 성분들을 말합니다.

그런데 그 이름이 왜 하필 위상잡음일까요? 저러한 주파수원 신호를 시간축에서 보면 마치 아래와 같은 그림으로 표현됩니다.

즉 ideal하게 위상이 딱딱 떨어지는 상태가 아니라, 시간축 신호의 sine파형이 약간씩 밀리면서 조금씩 틀어지게 된다는 것입니다. 마치 위상이 제자리를 찾지 못하고 헤메는 것처럼 보이는데, 이를 위상도표(phase diagram)으로 보면 원래 위치에서 어긋난 것처럼 보이기 때문에 위상잡음이라는 용어로 사용하게 됩니다. 그보다는 시간축의 파형떨림을 통해 "위상에 뭔가 문제가 있다!"라는 것을 쉽게 알 수 있습니다.

실제로 저렇게 조금씩 밀리는 현상없이 발진시키는 것은 쉽지 않은 일입니다. 저렇게 시간축에서 파형의 위상이 떨리는 현상을 흔히 jitter(지터)라고 부르며, 결국 저런 현상이 주파수 영역에서는 중심주파수옆의 요상한 주파수 성분을 만들어내게 됩니다. 이러한 위상잡음 지표는 특정 offset 주파수만큼 떨어진 거리에서의 전력값과 중심주파수와의 전력값의 차이로 읽혀지며, 발진기의 가장 대표적인 spec이 됩니다.

예를 들어 offset 300kHz에서 phase noise 규격은 100dBc/Hz 이다.. 라는 식으로 규격이 존재하며, 이러한 규격은 system spec에 의해 결정됩니다. 여기서 dBc/Hz 라는 개념을 어렵게 생각하는 경우가 있는데, 이것은 측정장비인 spectrum analyzer의 RBW(resolution bandwidth)를 이해하는 것이 관건입니다. 측정장비에서 1Hz단위로 측정할 수는 없기 때문에, 화면을 아무리 확대해서 본다해도 보통 수 kHz정도의 RBW에서 보게 됩니다. 이렇게 측정되면 그 RBW간격내의 모든 주파수에너지 성분이 합쳐진 것처럼 화면에 plot됩니다.

예를 들어 spectrum analyzer의 RBW를 1kHz로 하고 중심주파수와 offset 주파수만큼 떨어진 거리와의 전력차가 70dBc로 측정되었다면, 이상태에서는 70dBc/kHz가 됩니다. 이것을 Hz단위로 재환산하려면 70 + 10 log (1k) = 70 + 10 log (1000) = 70+30 = 100dBc/Hz 가 됩니다. 즉 이것은 RBW를 얼마로 놓고 재느냐에 따라 계산법이 다른데, dBc/Hz라는 기준으로 규격을 정해 버리면 RBW가 다르더라도 위와 같은 계산을 통해 통일된 기준에서의 비교가 가능합니다. 이것을 기준주파수 전력을 기준으로 하여 - 부호를 붙이기도 하는데, 이 경우는 -100dBc/Hz 라고 말할 수 있습니다. 당연한 얘기지만, 위상잡음은 그 절대값이 클수록 파형이 샤프하게 뜬다는 의미이므로, 절대값이 클수록 좋은 것입니다.

위상잡음의 주요 원인으로는 flicker noise(1/f noise)로 알려져 있는데, 이는 반도체 물성으로 인해 소자 자체적으로 발생하는 저주파대역의 잡음입니다. 이것이 발진주파수와 내부적으로 cross modulation을 일으켜서 샤프하게 집중되어야 할 스펙트럼이 퍼지는 듯하게 보이게 됩니다. 이와 함께 주파수를 선택하는 공진기의 주파수집중도를 의미하는 Q값 역시 phase noise에 중요한 영향을 줍니다.

이렇게 발생한 phase noise들은 주파수 영역을 지저분하게 만들어서, 특히 각종 변조시에 좋지 않은 영향을 끼치게 됩니다. phase noise에 대한 기술자료는 RFDH 자료실에 꽤 다양하고 많은 종류의 자료가 있으니 참고하시기 바랍니다.

 

발진은 즐거워~

발진기 이외의 능동회로를 취급하거나 시스템을 다루는 엔지니어 입장에서, 발진(oscillation)이란 말은 듣기만 해도 짜증나는 단어입니다 (T^T;) 하지만 발진기를 설계하거나 다룰 때는, 반갑고 즐거운 현상이겠죠. 증폭기를 만들었는데 발진나면 미칠 것 같고... 발진기를 만들었는데 막상 발진이 일어나지 않는 경우도 환장할 노릇입니다. 겪어본 사람만 알지요.

이로써 발진기에 대한 기본적인 개념을 익히셨으리라 믿습니다. 하지만 기초개념잡기가 그렇듯이, 지금 보신 내용들은 발진기의 아주 기초적인 사항들만 설명된 것입니다. 발진기 역시 다른 어떤 능동회로들 못지 않게 다양한 형태와 방법론이 존재합니다. 보다 깊이있고 상세한 각종 이론, 설계사례 등의 정보는 자료실의 다양한 기술자료들을 활용하시길 바랍니다.

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