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[자연과학][전기전자] 임피던스 매칭에 대해
1. 임피던스 매칭이란
2. 임피던스 매칭을 하는 이유
3. 임피던스 매칭은 어떻게 하나
1. 임피던스 매칭이란
출력 임피던스와 입력 임피던스
턴테이블이나 CDP 같은 소스 기기들은 입력단이 없다. PC-Fi의 경우 DAC에 입력신호가 들어오기는 하지만 디지털 데이터이기 때문에 임피던스의 의미가 없다. 0 또는 1의 이산적인 신호들만 들어오지 1.2나 0.3같은 연속적인 신호가 들어오는 것은 아니기 때문이다. 하지만 CDP나 턴테이블에서 재생되는 신호를 듣기 위해서는 프리 앰프로 연결을 시켜줘야 한다. 보통 인터커넥션 케이블을 통해 연결은 하는데 이 인터커넥션 케이블을 통해 전달되는 신호는 소스의 음악신호와 그것을 증폭하기 위한 전기가 뒤섞인 형태를 보인다. 그런데 이 때, CDP에서 보내는 신호가 모두 프리 앰프에 전달되게 될까하는 의문이 생긴다.
대답은 아니오이다. 만약 그렇게 된다면 소리가 나지 않는다. 왜냐하면 소스 기기에서 들어오는 신호가 모두 증폭용으로만 사용된다면 음악 신호는 당연히 사라지기 때문이다. 어차피 음악 신호도 전기적인 형태를 띨테니까 말이다. 그런데 이런 현상이 일어날 때 소스 기기와 프리 앰프는 중간에 에너지의 일부가 사라지는 듯한 느낌을 받게 된다. 이 때 소소 기기에서는 보낸 신호가 모두 전달되지 않기에 출력 임피던스라는 용어를 사용하고, 프리 앰프에서는 받아야 할 신호를 모두 받지 못했기에 입력 임피던스라는 용어를 사용한다.
이 한장의 그림에 임피던스에 관한 모든 개념이 들어있다. 마이크에 대고 이야기를 하는데 잡음을 줄일 수 있는 방법은 무엇일까. 마이크의 감도를 낮춘 채, 목소리를 크게 하면 주변의 잡음이 적게 유입될 것이다. 이 것이 바로 신호 대 잡음비의 개념이다. 여기서 마이크의 볼륨을 높이면 된다. 그럼 듣는 사람은 어떻게 해야 할까. 마찬가지로 스피커의 볼륨을 낮추는 것이다. 그렇게 되면 상대적으로 에너지량이 작은 주변의 잡음은 들리지 않게 된다. 이런 간단한 원리에 임피던스 매칭의 비밀이 숨어 있다. 프리 앰프에서는 CDP의 출력을 최대한 많이 받는 것이 좋다. 그래야 증폭용 신호를 만들기가 수월해지기 때문이다. 하지만 이렇게 되면, 노이즈까지 같이 유입될 확률이 높다. 소스 기기에서 받는 신호의 양을 적게 받는 것이 원래의 소리 재생에는 훨씬 유리하다. 다시 말해, 입력 임피던스가 커질수록 신호 대 잡음비가 높은 소리를 들을 수 있다. 즉, 출력 임피던스가 낮은 것이 기기의 효율성 측면에서 좋다. 앰프에 증폭용으로 신호를 빼앗기더라도 원래의 신호가 크다면 빼앗긴 비중이 작기 때문이다.
임피던스 매칭은 물호스에 비유해 보면 보다 분명히 알 수 있다. 만약 우리가 1/2인치의 물호스를 동일한 크기의 호스에 연결했을 때 물의 압력이 일정하다고 가정한다면 한 호스에서 다른 호스로의 운송은 최대로 되 게 된다. 만약 우리가 1/2인치 호스를 1/4인치 호스에 연결했다면 물의 흐름은 연결에 방해를 받게 되고 호스 크기의 미스매치로 인해 1/4인치 호스에는 단지 반의 물만이 흐르게 된다. 1/2인치 호스를 3인치 호스(그림8-7)에 연결시키고 나면 1/2인치 호스에서 나온 물 전부가 3인치 호스로 방해 없이 흐르게 된다. 그러나 3인치 호스에서의 물의 압력은 원래 압력의 1/3로 떨어지게 된다. 이는 3인치 호스가 1/2인치 호스에서 보다 물을 더 많이 받아들일 수 있기 때문이다.
2. 임피던스 매칭을 하는 이유
회로 간의 임피던스를 협상해주는 것이 임피던스 매칭이며, 이러한 협상 과정이 없다면 전체의 흐름을 예상할 수 없게 되고 양 측이 불만을 갖게 된다. 반대급부가 발생하는 것이다. 임피던스의 중요한 역할은 부아(load)이다. 부하는 각각의 회로소자와 선로 위치에 얼마만큼의 일(load)을 분담하느냐를 말한다. 적절한 load가 걸리도록 입력단과 출력단의 임피던스를 정했을 때, 그것이 다른 회로단과 연결될 때 연결부위의 load(임피던스)가 다르면 신호의 반사가 발생하게 된다. 다시 말해 임피던스 매칭을 하지 않으면 회로의 성능이 제대로 발휘되지 못한다.
3. 임피던스 매칭은 어떻게 하나
임피던스 매칭이란 결국 임피던스가 다름으로 인한 반사손실을 최소화하기 위해, 중간에 양쪽 임피던스를 중재할 수 있는 그 무언가를 넣는 것이다. 임피던스 매칭을 하는 방법은 매우 다양한데, 그 중에서 RF에서 가장 많이 쓰이는 것은 아마도 quarterwave transformer와 stub 매칭방법일 것이다.
quarterwave transformer 는 두개의 임피던스단 사이에 1/4 파장 길이의 중간적 임피던스를 삽입하는 아주 원초적이고 단순한 방법이다. 대역폭이 매우 좁다는 문제가 있지만, 구현이 아주 간단하기 때문에 어레이 안테나나 몇 가지 RF회로에서 종종 사용된다. 대역폭을 늘이기 위해 여러 단으로 만들 수도 있지만, 공간을 너무 많이 차지해서 그리 권장되지는
않는다. 실제로 가장 많이 사용되는 임피던스 매칭법은 stub을 이용한 것인데, 스미스 차트라는 RF필수 그래프 툴을 이용한다. stub이란 회로 옆에 수직으로 길게 나온 짧은 선로를 의미하며, 스미스 차트를 이용하여 그 길이와 위치를 결정할 수 있다. 굳이 이런 stub이 아닌 LC lumped 소자를 직접 땜해서 만들 수도 있지만, 1GHz 가 넘어가면 stub방식을 사용하는 것이 일반적이다.
좀 더 부연설명을 한다면, lumped 소자란 우리가 RLC라 불리 우는 땜을 해서 붙이는 전자회로 소자 전체를 통칭한다. stub으로 구현한다는 의미는, 그런 lumped소자의 LC값을 등가적으로 선로의 길이와 폭 등의 패턴형상으로 구현한 distributed 형태로 만든다는 것을 말한다.
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자료출처 : http://www.ALLReport.co.kr/search/detail.asp?pk=11071437&sid=qjfRnf777&key=
[문서정보]
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