I-Laboratory 고주파회로교실 [Ⅴ. Control Circuit] 2.Switch (2) 특성개선

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[ V. Control Circuit ]

2. Switch

(2) 특성 개선

앞 절에서처럼 다이오드 1개로는 (스위치의 Off 상태에 해당하는 바이어스 시) 충분한 격리도를 얻을 수 없었기 때문에, 그냥 그대로는 스위치로 사용하기 부적합하다고 판단됩니다. 그렇다면 격리도가 나빠진 (즉 Off시 누설량이 많은) 원인은 어디에 있을까요?

직렬연결의 경우에는 역방향 바이어스 시의 Cj값에 그 원인이 있습니다. 역방향에서 Off를 시키려면 임피던스가 충분히 커야하는데도, 수 GHz의 주파수에서 1pF 정도의 C값은 그다지 큰 리액턴스 값이 되지 못합니다. 그렇지만 이 Cj값은 사용하는 다이오드의 특성에 따라 고정되버리는 값입니다. C값에 의한 리액턴스는 Xc = - 1 / jωC 로서, 분모의 C 값이 작을수록 리액턴스 Xc가 커져서 결국 전체 임피던스를 크게 만들어줍니다. 그러므로 역방향시의 임피던스를 크게 해주려면, Cj의 값이 작아져야겠지요. 고로 Cj값을 작게 만들어주기 위해 Cj 성분을 직렬로 2개를 이으면, 총 C값은 Cj / 2 가 됩니다.

이러한 효과를 일으키기 위해 PIN 다이오드 2개를 직렬로 전송선로에 삽입했을 경우의 특성을 <그림 5-9>에 나타내었습니다. 그래프 중에서 각 특성곡선의 이름뒤에 붙은 문자(예 : PIN_F)의 F, R은 순방향(Foward)과 역방향(Reverse)을 의미합니다. 다이오드 1개의 경우와 비교하면 확실히 격리도는 개선되는 것을 볼 수 있습니다.

결과를 보면, 다이오드 1개일 때는 격리도가 -5dB 정도이던 것이, 다이오드를 2개를 사용하면서 -10dB까지 좋아졌습니다. (중심주파수 2GHz에서)

<그림 5－9> 직렬로 PIN diode 2개를 삽입한 경우의 S11, S21 특성

그렇다면 병렬의 경우는 어떨까요? 병렬구조에서의 격리도 악화는 순방향 바이어스 시의 Rf 와 L 에 원인이 있습니다. Rf 와 L 이 있기 때문에, 순방향 바이어스 시 완전하게 short가 되지 않는 것이죠. 그렇다면 Rf 와 L을 작게 하려면 어떻게 하면 될까요? 병렬로 다이오드 하나를 더 연결하면 두 값을 1/2로 줄일 수가 있겠지요.

PIN 다이오드 2개를 병렬로 전송선로에 삽입한 경우의 특성을 아래 <그림 5-10>에 나타내었습니다. 이 경우도 직렬과 마찬가지로 1개의 경우에 비하여 격리도가 두배정도 개선되었습니다.

<그림 5－10> 병렬로 PIN diode 2개를 삽입한 경우의 S11, S21 특성

이로써, 단순히 PIN 다이오드의 갯수를 늘리는 것만으로도 직렬이건 병렬이건 격리도(isolation)가 개선됨을 확인할 수 있었습니다. 하지만 자세히 관찰해보면.... 다이오드의 개수를 늘이면서 삽입손실이 나빠지고 있다는 것을 알 수 있습니다. (공학에 공짜는 없습니다!) 신호가 통과할 때 경로손실이 늘기 때문이며, 이전에 1개의 다이오드를 쓸 때는 S21이 -0.2 ~ -0.3 dB 수준이었지만 2개를 사용한 경우는 (주파수가 올라갈수록) S21이 -1dB 수준이 되어 버렸지요.

다시말해서, 차단 동작시 누설되어 흐르는 신호가 줄어서 OFF 특성은 좋아졌지만, 통과 동작시 신호 경로상의 손실이 늘어서 ON 특성은 나빠진 셈입니다. 이렇게 따지면 갯수를 늘인다고 해서 확실히 좋아졌다고만 말할 수는 없습니다. 게다가 2개를 사용하여 개선된 격리도값 자체도 아주 만족스러운 수치라고 보긴 조금 어렵습니다. 적어도 Off 동작시에 S21이 -15dB 이하로 내려갔으면 좋겠는데...

자 그럼 어떻게 해볼까요? 지금까지 우리는 직렬인 경우와 병렬인 경우를 따로따로 생각하고 있었습니다. 그렇다면 직렬과 병렬을 섞어보면 어떤 결과를 얻을 수 있을지 궁금하지 않으십니까?? 당장 확인해보도록 하겠습니다. <그림 5-11>에 직렬+병렬 PIN 다이오드 구성도와 스위치 상태에 대한 대응표를 나타내었고, <그림 5-12>에 그 결과를 나타내었습니다.

	SW	D1	D2
상태 1	ON	ON (순)	OFF (역)
상태 2	OFF	OFF (역)	ON (순)

(순) : 순방향 바이어스
(역) : 역방향 바이어스

<그림 5－11> 직렬 + 병렬로 PIN diode를 구성

<그림 5－12> 직렬 + 병렬로 PIN diode를 삽입한 경우의 S11, S21 특성

어떻습니까? 직렬과 병렬을 혼합하여 사용해보니, 삽입손실이 개선되어 ON 특성도 좋아지고, 격리도도 -15dB까지 더더욱 개선되면서 결국 OFF 특성도 함께 개선되었습니다. 한마디로 님도보고 뽕도 따고 ON/OFF 특성 모두가 개선되는 일석 이조의 효과가 있었던 것입니다. 이러한 직/병렬 조합을 하나의 기본 unit 으로 하고, 여러 unit을 복수로 연결하면 격리도 특성은 더더욱 현격히 좋아지게 됩니다.

여기까지 보아온 스위치 구성은 SPST (Single Pole Single Throw)라고 불리우는 것입니다. 한가지 동작 패턴으로 하나의 신호경로만 제어하고 있다는 뜻이지요. 다음항에서는 SPDT switch에 대해 알아보도록 하겠습니다.

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