[햄린이의 무선공학] 회로 시뮬레이션 소프트웨어, LT-Spice
Spice (스파이쓰)라는 걸 들어 봤을거야. 못들어 봤다면 지금부터 이야기 할거니까 앞으로는 들어봤다고 하면 되겠지. "Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis"의 약자인데 연혁이나 뭐 그런건 위키 사전을 찾아보라구 [SPICE]. 어쨌든 오픈소스 아날로그 회로 시뮬레이터지. 이 멋진 시뮬레이션 소프트웨어가 공짜라는 이야기야. 왜 이걸 꺼내 들었냐면 앞으로 전자회로를 들여다 볼텐데 말로만 하면 못믿을 거잖아? 진짜 그런 결과가 나오는지 파형도 보고싶고 말이지. 보는게 믿는 거라잖아.
콘덴서 하나만 넣었다고 DC 에서 요동치는 신호를 AC 로 요동치는 시는 신호로 바꾼다며? 진짜야? 컨덴서와 코일만 적당히 연결하면 공진 회로를 꾸민다며? 진짜야? 우리같은 햄린이들은 일단 보지 않고는 못믿지. 못믿는다기 보다는 봐야 받아들이기에 거리낌이 없으니까. 그렇다고 일일이 회로를 꾸미고 시그널 제네레이터로 입력을 주고 오실로스코프로 찍어볼 수도 없고 말이지. 더구나 스펙트럼 아날라이져 같은 고오급 측정기를 가지고 있다면 햄린이 아니지.
자 일단 이걸봐. 무척 간단한 회로지. 컨덴서 하나만 넣었다고 DC 요동치는 파형을 AC 요동치는 파형으로 바꾸는 예를 보여주는 거지.
V2 라는 심볼이 붙은 것은 시그널 제네레이터 또는 펑션 제네레이터라고 하는 것이지. 사인파를 발생시켜 주도록 설정 했어. 진폭이 1볼트, DC 옵셑이 1볼트 그리고 주파수는 1Mhz 이지. DC 옵셑(off-set)이 뭐냐면 - 에서 +사이를 요동치는 사인파를 1볼트 올려 줬다는 거지. 그러면 (A)에서 측정한 파형의 모습은 아래 그림에서 파란색으로 나온 거야. 그리고 녹색 파형은 (B)에서 측정한 파형이지. 어때? DC 0~2볼트 사이를 요동치던 신호가 -1볼트에서 +1볼트로 요동치는 AC 로 바뀌었지?
이번에는 모르는 사람 없다는 공진 회로를 볼까? 코일과 콘덴서를 적당히 결합하면 공진 회로가 된다며? 근데 공진 회로가 뭐 별거 겠냐구. 잡다하게 섞인 신호중에 특정 주파수에 반응하는 회로지. 조금 시각을 바꾸면 잡다한 신호에서 특정 주파수만 골라 통과 시키는 회로 이기도 하고. 근데 그 특정 주파수라는게 어떻게 정해지는지는 아주 간단한 햄린이라면 모를리 없는 수식이 있지. 몰랐다면 지금 알면 되지뭘.
맨 위에 f_0 라고 써놓은 수식 있잖아. 그게 바로 공진회로의 공진 주파수 식이야. 이제 공진회로를 꾸며서 실험을 해보자구. 컨덴서와 코일을 병렬로 연결한 공진회로는 아래와 같다. 먼저 공진 회로에 쓸 부품이 두개잖아. 먼저 컨던세를 30pF에 놨다면 코일의 용량은 얼마로 잡을지는 위의 L을 계산하는 과정을 참고해줘.
이번 실험에서는 V1 으로 표시된 시그널 제네레이터에서 주파수는 1Mhz(주기로 치면 1us)짜리 각진 구형파(PULSE)를 생성 했지. 이 신호를 C3를 거치면서 AC 로 바꿨어. 왜냐면 공진 회로는 AC에 반응 하는 회로니까 그래. 시뮬레이션을 해서 파형을 찍어 봤더니 이렇게 나왔네?
각진 구형파(녹색)는 주기가 1Mhz이긴 하지만 그외 고조파(1Mhz의 배수가 되는 파동)가 다수 섞여서 만들어지지. 말하자면 1Mhz 외에 각종 잡스런 파형이 섞여 있다고 보면 되. 그걸 C3를 통과시키면 AC 신호(파란색)가 되는데 깨끗하지 않지? 잡스런 신호들이 섞여서 그런거지. 잡신호를 공진회로를 거쳤더니 깔끔한 1Mhz짜리 AC 사인파(적색)만 나왔네! 이게 공진회로가 하는 짓인데 눈으로 보니까 믿겨지지? 공진회로나 필터나 같은거야. 참고로 위의 실험은 그냥 간단한 예를 보인거야. 공진회로 앞뒤로 붙어있는 조건들에 따라 아주 다른 결과를 보여서 아날로그 회로가 만만치 않다는 건데... 뭐 개념정도 이해하는거로 하자구.
앞으로 '햄린이 무선공학'을 연재 하면서 Spice 라는 회로 시뮬레이터를 사용해 볼까 하는데 어때 괜찮지? 그럼 Spice가 무료지만 저렇게 GUI를 갖춘 소프트웨어 패키지는 여러 회사에서 나오는데 우리는 리니어 테크놀로지사에서 무료로 배포하는 LTSpice를 사용할꺼야. 아래 링크에 가서 다운받아서 설치하라구.
https://www.analog.com/en/design-center/design-tools-and-calculators/ltspice-simulator.html
이게 사용법이 조금 까다롭긴 한데 아래 링크에서 간단한 사용법을 만들어 놓은게 있더라구.
https://web.mit.edu/6.101/www/s2020/handouts/LTSpiceIntro.pdf
그외 LTSpice 를 검색하면 많은 자료들을 볼 수 있지. 앞으로 필요할 때마다 사용할 거니까 하루 정도 시간을 내서 익혀 두라고. 심심치 않을 거라고 장담하지.
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앞으로 이런 것도 해볼꺼야.
Pixie2라는 초소출력 무전기 알지? 그거 회로도를 보니까 820pF와 1.2uH 코일을 썼더라구.
안테나 매칭이 820pF-1.2uH-820pF 로 되어 있는데 이에 맞는 부품이 없더라구. 다른 회로를 보니 100pF-4.2uF-100pF로 만든 회로가 있길래 부품통에 가용한 82pF-4.7uF-82pF로 달기로 하고 시물레이션을 해봤지. 소스측 임피던스를 내맘대로 3K라고 하고 82pF-4.7uF-82pF 조합으로 SPICE를 돌려보니 8Mhz쯤에 매칭되는 거야. 스미스 차트 시뮬레이터를 돌려 봐도 그렇게 나오더라고.
그래서 소스측 커패시턴스를 좀 올려서 맞춰보기로 했지. SPICE를 보니 100p-4.7u-82p 면 그럭저럭 7Mhz에 매칭 되겠더라고.
좀 주먹구구식이긴 하지만 어쨌든 만들어서 들어 봤더니 난리도 아니게 전신 신호가 들리는 거야. 더블어 단파 방송도 엄청 들어오는데 직접변환 수신기라 그러려니 하지. 그리고 SSB로 나가서 시험요청을 했더니 평소 교신하던 오엠께서 교신을 해주겠다는 거야. 0.1와트 짜리 자작한 전신무전기 시험좀 부탁한다고 했더니 기꺼이 응해 주시더라고. 그리고 성공했지. 겨우 약 60km 거리지만 상대에서 내 신호를 확인해고 나도 상대의 호출부호를 확인 했으니 된거지. 감격이 따로 없었어.
어때? 의욕이 마구마구 솟지 않아? 지금 당장은 이게 뭔소린가 싶겠지만 앞으로 조근조근 실제 활용 위주로 얘기해 볼테니까 같이 해보자. 이제 꿀리지 않는 햄린이가 되보자구!
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아! 나는 아날로그 회로 잘몰라. 그냥 어깨넘어로 익힌거니까 혹시 틀린거 있음 알려줘야해. 그래야 나도 배우지. 뭐... 이런걸 하냐고 욕해도 괸찮아.
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