전자회로의
선형과 비선형성
전자회로 해석은 원래 선형과 비선형 시뮬레이션으로 구분된다. 이것은 주로 능동소자와 관련된 개념으로서, 회로동작이 입력에 대해 출력이 선형적으로 비례하는 것을 선형(linear), 비선형 커브로 포화영역까지 동작하는 것을 비선형 회로(nonlinear)라고 부른다.
대부분의 수동소자는 기본적으로 선형동작을 하기 때문에 수동소자는 선형해석만으로 충분히 가능하다. 하지만 능동소자 (diode, Transistor)가 포함된 회로의 경우 선형영역과 비선형 영역이 구분되게 된다.
여기서 소자의 비선형성과 선형해석과의 관계가 다소 헷갈릴 소지가 있는데, 우리가 보통 능동소자를 비선형소자라고 부르고는 있지만, 비선형소자도 선형으로 동작하는 영역이 있다. 여기서 RF 선형해석의 의미는 선형소자만해석한다는 의미가 아니라, 선형 영역 또는 신호의 동작범위가 작아서 비선형 영역이라해도 선형적으로 동작한다고 가정하고 해석한다는 의미이다.
즉, 선형해석으로도 거의 모든 수동회로와 대부분의 능동 전자회로를 설계할 수 있으나, 동작범위가 넓게 능동소자를 해석하고 싶은 경우에는 정교한 비선형해석이 필요하게 된다. 능동회로의 예를 든다면 LNA류는 선형해석으로도 적절한 해석이 가능하지만 harmonic을 이용하는 mixer나 doubler등은 비선형 해석이 필요하고, amp의 경우에도 Power amp처럼 큰 신호를 다루어야 하는 경우 선형해석으로는 만족스러운 결과를 뽑아내기 힘들다.
RF에서의 선형/비선형
RF 역시 단지 주파수가 높은 전자회로의 일종이므로 위와 똑같이 능동소자 특성에 따라 선형과 비선형 해석을 결정해야 한다. 선형이냐 비선형이냐를 기준으로 RF 해석 알고리즘은 크게 두 갈래 나누어지게 되는데, 선형회로 해석에는 Phase analysis 방법이, 비선형 해석에서는 Harmonic balance 방법이 주로 응용된다.
이 두가지 알고리즘은 사용자 입장에서 중요한 선택을 하게 만드는데, 어느 알고리즘으로 해석하느냐에 따라 능동소자의 모델 라이브러리 선택이 바뀌게 되기 때문이다.
실제 응용에 있어서는 선형 해석쪽이 훨씬 쉽고 빠르기 때문에, 특별한 경우가 아니면 복잡한 비선형보다는 효율적이고 간편한 선형쪽을 선호하는 경향이 많다.
Phase Analysis
( = linear simulation = small signal )
Phase analysis를 이용하는 경우에는 소자의 S 파라미터 데이터 파일만 있으면 능동회로 해석이 가능하다. 이것은 대부분의 S/W에 유명소자의 라이브러리 파일들이 들어 있고, 설사 없더라 하더라도 소자 제조업체에서 기본적으로 제공하는 경우가 많기 때문에 구하기가 쉽다.
Phase Analysis만 이용하여도 모든 수동회로 및 선형 능동회로의 해석이 가능하고, 계산속도 또한 1초 이내 혹은 수초 정도의 고속 계산이 가능해서 real time tunning이 가능하며, 다양한 optimization이 원활히 진행된다.
Harmonic Balance
( = nonlinear simulation = large signal )
비선형 해석을 위해서는 능동소자의 비선형 모델 라이브러리가 필요한데, 이것을 위해서는 일단 사용자가 적당한 모델을 선택해야 한다. 그리고 그 모델에 맞는 파라미터를 알아내거나 혹은 모델 라이브러리 파일을 구해야 한다. 비선형 RF 시뮬레이터를 내장한 ADS나 Serenade의 경우에는 다량의 비선형 라이브러리를 보유하고 있다. 이러한 비선형 소자를 모델링하고 그 파라미터값을 추출하는 분야를 Device Modeling이라고 부른다.
Harmonic balance는 선형해석에 비해 시간도 오래 걸리고, device modeling 등이 까다로와서 상대적으로 난이도가 높다. 하지만 능동소자를 완벽히 control하고 싶다거나, 정교한 mixer와 고전력 AMP 등에는 비선형 해석이 꼭 필요하게 된다. 파라미터 모델링이 제대로 되어 있지 않으면 오차가 커지기 때문에 비선형 RF 해석의 정확도는 역시 device modeling의 정확도에 의존한다고 할 수 있다.
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