역바이어스가 정전용량을 바꿉니다
바랙터(varactor, varicap)는 역방향으로 바이어스한 다이오드의 접합 정전용량을 이용하는 소자입니다. 바이어스(bias)는 동작점을 정하는 직류(direct current, DC) 전압이고, 역바이어스(reverse bias)는 다이오드가 정상적인 순방향 전류를 흘리지 않는 방향으로 전압을 거는 상태입니다. 이때 접합의 공핍층(depletion region)은 이동 가능한 전하가 적은 영역입니다. 역방향 전압을 높이면 공핍층이 넓어져 정전용량이 작아집니다. 그래서 직류 바이어스로 공진 회로의 용량을 조절할 수 있습니다.
인덕터(inductor) L과 회로 전체의 유효 정전용량 C_total이 공진을 정한다고 단순화하면, 공진 주파수 f₀는 약 1/[2π√(L C_total)]입니다. L은 인덕턴스(inductance, 단위 헨리 H), C_total은 바랙터 쌍 외의 기생 용량(parasitic capacitance)과 고정 용량을 포함한 정전용량(단위 패럿 F), f₀는 주파수(단위 헤르츠 Hz)입니다. 바랙터 자체 용량이 줄어들면 공진점이 올라가는 방향이지만, 실제 변화량은 기생 용량과 회로 연결에 좌우됩니다.
두 소자의 용량은 직렬로 합성됩니다
역직렬(back-to-back)은 두 다이오드의 같은 극성 단자가 가운데서 마주 보는 배치입니다. 두 바랙터가 같은 직류 바이어스에서 각각 C의 용량을 갖는 이상적인 경우, 쌍의 합성 정전용량 C_pair는 1/C_pair = 1/C + 1/C이므로 C/2입니다. 두 개를 썼으니 C가 두 배일 것이라고 예상하면 공진점과 조정 범위를 잘못 잡을 수 있습니다. 두 소자의 정전용량–전압 특성 C(V_R), 실제 연결의 기생 용량, 목표 바이어스 범위를 함께 대입해야 합니다. 여기서 V_R은 각 소자의 역방향 전압입니다.
그림의 A는 애노드(anode), K는 캐소드(cathode)입니다. 여기서는 두 캐소드를 가운데에 연결하고 그 지점에 바이어스를 공급하는 구성을 그렸습니다. 양쪽 애노드의 직류 전위가 가운데 캐소드보다 낮아야 두 소자가 역바이어스 상태를 유지합니다. 실제 RF 전압이 흔들리는 동안에도 각 소자의 순간 역전압이 허용 범위를 벗어나지 않는지 확인해야 합니다.
쌍이 대칭이고 각 소자가 같은 특성을 가지며 RF 전압 변화가 충분히 작다면, 한쪽의 역방향 전압이 조금 늘 때 다른 쪽은 비슷한 만큼 줄어듭니다. 한쪽 정전용량의 증가와 다른 쪽의 감소가 합성 용량에 미치는 1차 변화가 서로 상쇄됩니다. 소자가 불일치하거나 신호가 커지면 높은 차수의 비선형 변화는 남습니다. 따라서 ‘역직렬이면 선형성이 보장된다’고 판단하지 않습니다.
바이어스선으로 RF가 새지 않게 확인합니다
중간 바이어스 노드에 가변 직류 전압을 주더라도, 그 선이 고주파 신호를 외부 회로로 전달하면 의도한 대칭 동작과 주변 회로의 조건이 바뀔 수 있습니다. 그래서 바이어스 공급에는 격리 저항(isolation resistor) 또는 RF 초크(RF choke)처럼 RF에서는 높은 임피던스를 제공하는 경로가 필요합니다. RF 초크는 직류는 통과시키면서 목표 고주파 대역의 흐름은 억제하려는 인덕터입니다. 어느 방식을 쓸지, 얼마나 크게 만들지는 목표 주파수와 조정 속도, 누설 전류, 손실을 알아야 결정할 수 있습니다. 바이어스 전원의 잡음도 역방향 전압과 용량을 흔들 수 있습니다.
설계 검토에서는 먼저 정확한 바랙터의 C(V_R) 곡선, 허용 역전압, 손실 또는 품질계수(quality factor, Q) 자료를 목표 주파수에서 확인합니다. Q는 저장한 에너지에 비해 한 주기 동안 잃는 에너지가 얼마나 작은지 나타내는 척도입니다. 이어 두 소자의 직렬 합성 용량과 회로의 기생 용량을 계산하고, 예상 RF 전압 변동에도 각 다이오드가 역바이어스를 유지하는지 확인합니다. 마지막으로 바이어스를 바꾸며 실제 공진점·손실을 측정하고, 사용하려는 RF 진폭에서 단일 소자 구성과 쌍 구성을 같은 조건으로 비교해야 왜곡 개선을 주장할 수 있습니다.
이 그림은 역직렬 쌍의 극성과 용량·바이어스 관계를 설명하는 개념도입니다. 실제 RF 입출력 연결이나 바이어스망의 소자값을 정한 제작 회로가 아닙니다. 특정 주파수, 조정 폭이나 왜곡 감소량은 소자와 실제 회로의 정격·측정 자료 없이는 제시할 수 없습니다.