[RLC] Ripple에 관하여 (feat LNA)

리플(Ripple)

 

전자 회로에서 발생하는 변동이나 노이즈를 의미합니다. 주로 전원 공급 회로에서 발생하는데, 전원 변환기나 정류기 등을 통해 DC 전원을 생성할 때 일정한 전압 또는 전류를 얻기 위해 AC 신호를 다루는 경우에 발생합니다. 일정한 전원을 얻기 위해서는 AC를 DC로 변환하는 과정에서 나타나는 변동이 최소화되어야 합니다.

 

리플은 주로 전원 공급 회로에서 발생하는데, 이것이 무엇인지 알아보기 위해 정류기(렉티파이어)와 콘덴서를 사용하는 전원 공급 회로를 살펴볼 수 있습니다. 정류기는 AC를 DC로 변환하고, 콘덴서는 전압을 안정화하는 역할을 합니다. 그러나 콘덴서는 일정한 전압을 유지하려면 충전 및 방전 과정에서 변동이 발생할 수 있습니다. 이 변동이 바로 리플입니다.

 

리플이 크면 전원의 안정성이 감소하고, 연결된 전자 장치에 해를 끼칠 수 있습니다. 따라서 전원 회로 설계 시 리플을 최소화하기 위해 필터 회로나 스무딩 회로 등의 기술을 사용합니다. 이러한 회로들은 리플을 완화하고 안정된 DC 전원을 공급하기 위해 사용됩니다.

리플계수(Ripple Factor)

필터의 직류 전압의 평균값으로, 이 값이 낮을수록 필터의 성능이 우수합니다. 리플계수는 부하 저항을 증가시키거나 캐패시터값을 크게 조절함으로써 개선될 수 있습니다. 따라서 회로 설계에서는 이러한 요소들을 고려하여 안정적인 전원을 제공할 수 있도록 해야 합니다.

 

1. 과전압 스트레스: 리플이 허용 리플 전압을 초과하면 회로 내의 소자들에 과도한 전압 스트레스를 줄 수 있습니다. 이는 절연 파괴, 전기적인 불안정성, 심지어는 정전기 방전(ESD)으로 이어질 수 있습니다.
2. 열화 가속화: 과도한 리플은 소자의 발열을 증가시켜 열화를 가속화할 수 있습니다. 특히 전해 콘덴서나 트랜지스터와 같은 민감한 부품의 수명을 크게 단축시킬 수 있습니다.
3. 노이즈 증가: 큰 리플 전압은 회로 내 노이즈 레벨을 증가시켜 아날로그나 디지털 회로의 오작동을 유발할 수 있습니다.
4. 정전압 요구 미충족: 일부 회로는 정확한 정전압을 요구합니다. 과도한 리플로 인해 이 조건이 충족되지 않으면 회로가 올바르게 동작하지 않을 수 있습니다.
5. 기준 전압 불안정: 리플 전압이 크면 기준 전압(reference voltage)이 불안정해져서 전체 회로의 동작에 악영향을 미칠 수 있습니다.

LNA (Low Noise Amplifier) topology 중 CS (Common Source) stage에 inductive degeneration이 적용된 circuit을 볼 수 있습니다. 여기서 input transistor size에 따라 real part와 imaginary part impedance가 결정됩니다.

 

series resonant circuit에서 input voltage signal이 gate-source capacitor를 통해 Q (Quality Factor) 배 증폭되어 voltage gain이 높아지는 것을 보여줍니다. 이때 ripple이 발생할 수 있는 부분이 바로 resonant circuit입니다.

 

Resonant circuit에서는 inductor와 capacitor의 resonant frequency에서 최대 impedance를 갖게 됩니다. 하지만 이 resonant frequency 근처에서는 ripple이 발생할 수 있습니다. Input signal의 frequency가 resonant frequency와 약간 차이가 나면 output에 ripple이 생길 수 있는 것입니다.

 

이러한 ripple은 원치 않는 oscillation이나 distortion을 일으켜 circuit performance를 저하시킬 수 있습니다. 따라서 적절한 filtering과 frequency selection이 필요합니다. Resonant circuit 설계 시 ripple 발생 가능성을 반드시 고려해야 합니다.

 

이처럼 LNA와 같은 RF circuit에서는 inductor, capacitor 등의 resonance 현상으로 인해 ripple이 발생할 수 있으므로 주의가 필요합니다. Ripple을 최소화하기 위해서는 circuit optimization과 더불어 stable operating region 설정이 중요합니다