02강. Simulation 만들기와 Bias Point 해석

강의 대본

시뮬레이션 프로파일 만들기와 Bias Point 해석 앞에서 강의에서 말씀을 드렸었는데 PSpice를 이용해서 시뮬레이션 하는 단계를 크게 4가지로 나눠 볼 수가 있습니다. 첫번째 프로젝트를 만들고 두번째 프로젝트에 사용할 시뮬레이션에 사용할 회로들을 그리고 그 다음에 시뮬레이션 프로파일을 만들고 여기서는 이제 어떤 해석 방법을 사용할 건지 시뮬레이션 조건 같은 것들을 주게 되겠습니다. 시뮬레이션을 실행하고 결과를 확인하는 이렇게 크게 4가지 단계로 나눠볼 수가 있는데 앞에 강의에서 프로젝트 만들기와 회로도 그리기에 대해서는 살펴보았고 여기서는 시뮬레이션 프로파일 만들기와 시뮬레이션을 실행하고 결과를 확인하는 방법에 대해서 살펴보도록 하겠습니다. 뒷부분에서 다시 다루겠지만 여기서 시뮬레이션 프로파일을 만들 때 우리가 해석 방법을 4가지 중에 하나를 선택을 해야 되는데 여기서는 Bias Point 해석 방법을 이용하려고 합니다. 시뮬레이션 프로파일을 만들기 위해서는 먼저 PSpice 상단에 있는 메뉴 중에서 PSpice에서 PSpice를 클릭하면 New Simulation Profile이 있습니다. 이것을 선택합니다. 그러면 오른쪽에 있는 화면이 나타나게 됩니다. 여기다가 시뮬레이션 프로파일 이름을 입력하고 Create를 누르시면 되겠습니다. 시뮬레이션 프로파일 이름도 어떤 걸로 해도 상관이 없습니다. 앞에서 저희가 프로젝트를 만들 때 사용했던 이름과 동일한 이름으로 하시는 게 나중에 관리하기가 편할 것 같습니다. 시뮬레이션 프로파일 만들기 위해서 아까 그 부분에서 이름을 입력한 다음에 전 단계 되겠습니다. 이름을 입력한 다음에 Create를 누르면 다음 화면에 윈도우 화면 맨 아래 부분에 작업 표시줄이 있는데 그 부분에 PC 모양이 나타나 있는 것을 볼 수가 있습니다. 깜빡깜빡 거리고 있을 겁니다. 이 부분을 클릭을 하면 이와 같이 시뮬레이션 관련된 내용을 설정할 수 있는 창이 뜨게 됩니다. Simulation Settings라고 되어 있죠. 이 부분에 보시면 여기 제가 6612라고 써놨는데 앞서서 Simulation 프로파일 만들 때 입력했던 이름이 이 부분에 표기가 되겠습니다. 이 부분이 나타나면 Analysis 타입에서 4개 중에 하나를 선택하고 관련된 세팅을 해주시면 되겠습니다. PSpice에서는 4가지 방식의 해석을 지원합니다. 이 부분을 클릭하시면 4가지가 나타납니다. 첫번째는 Time Domain 또는 Transient Analysis입니다. DC Sweep, AC Sweep, Bias Point 이렇게 4가지 해석 방법 중 하나를 시뮬레이션을 하는데 사용할 수 있겠습니다. 4가지 방법에 대해서 하나하나 강의를 통해서 다 살펴볼 텐데 여기서는 조금 전에 말씀드린 대로 맨 아래에 있는 Bias Point를 이용해서 해석하는 방법에 대해서 설명드리도록 하겠습니다. Analysis 타입에서 Bias Point를 선택하시면 됩니다. 다른 옵션 부분은 크게 안 건드리시면 됩니다. Analysis 타입에서 Bias Point만 선택하시고 바로 확인 버튼을 클릭하시면 됩니다. 자 그 다음에 이제 시뮬레이션을 갖다 실행을 해야 되는데 물론 이제 지금 저희가 제가 지금 설명드리는 내용은 이미 앞에서 프로젝트 만들고 시뮬레이션 회로까지 끝났다는 그 전제 하에서 말씀드리고 있는 겁니다. Simulation을 실행시켜야 되는데 앞에서 설명드렸던 대로 PSpice 메뉴에서 Run을 실행시켜 주셔도 되고 Function 키 F11이 되겠습니다. 아니면 이 부분에 보시면 Run PSpice라는 아이콘이 있습니다. 이거를 눌러서 실행시켜 주셔도 되겠습니다. PSpice를 실행시키면 마찬가지로 윈도우 맨 아래 작업 표시줄에 파형이 나타나는 그림이 하나 떠 있습니다. PSpice AD Lite라고 표기가 되어 있는데 이 밑에 깜빡거리는 부분을 클릭하시면 되겠습니다. 클릭하시면 보통 이런 화면이 뜹니다. 여기 보시면 PSPICE A/D LITE라고 되어 있습니다. Transient나 DC Sweep이나 AC Sweep이나 그런 다른 해석을 하셨을 경우에는 이 부분에 어떤 파형 형태로 시뮬레이션 결과가 보여지는데 Bias Point에서는 하나도 보여지지 않습니다. 이게 정상이라는 것만 알아두시면 되겠습니다. 대신에 다시 회로도가 그려져 있는 부분에 오시면 PSpice 맨 위에 메뉴들 아까 저희가 실행시키기 위해서 PSpice 메뉴를 눌렀었는데 그 아래 부분에 확대 축소하는 부분이 있고 그 밑에 부분 프로브를 닮은 바로 옆부분에 보시면은 V I W라고 이렇게 써 있는 부분이 있습니다. PSpice 실행을 시킨 다음에 회로도로 돌아와서 이 부분에서 V를 클릭을 하면 회로도 상에 이런 전압이 표시가 됩니다. 그 다음에 I를 클릭을 하시면 지금 V는 다시 활성화가 안 되어 있고 W도 활성화가 안 되어 있습니다. 이렇게 네모 박스로다가 블루 형태로다가 테두리에 있어야지 이 부분이 활성화되어 있다고 생각하시면 되겠습니다. 전압을 없애고 I를 활성화시키면 I는 전류라는 것을 짐작할 수 있습니다. 각 소자에 흐르는 전류값을 볼 수 있습니다. 우측에 보시면 두 가지 노드가 있는데 Bias Point 해석법에서는 여기 표기되는 전압값이 노드 전압값만 표시된다는 얘기입니다. 어떤 얘기냐면 저희가 아날로그 회로 해석을 할 때 반드시 제로 그라운드를 회로에 사용을 했었습니다. 이 제로 그라운드가 기준 노드가 되는 겁니다. 쉽게 말씀드리면 다른 전압을 측정할 때 기준이 되는, 그러니까 이 부분을 0V로 놓고 다른 부분의 전압을 측정하겠다는 얘기가 되겠습니다. 노드 전압만 표시가 된다? 다 지금 표시되는 전압값이 이 밑에 0V를 기준으로 측정된 전압이라는 얘기입니다. 뭐가 차이가 있냐면, 예를 들어서 저희가 R2에 걸리는 전압만 측정하고 싶다 이런 게 표시가 안 된다는 얘기입니다. 지금 여기 9.286V라는 얘기는 R2하고 R3 두 개의 저항 전체에 걸리는 전압을 얘기합니다. 그 다음에 세 개 저항 전체에 걸리는 전압이 10V고 맨 끝에 R3에 걸리는 전압이 R1에 걸리는 전압은 10V에서 9.286V를 빼야 합니다. 역시 R2에 걸리는 전압도 9.286V에서 7.143V를 빼면 R2 양단 간에 걸리는 전압이 표기됩니다. 그런데 Bias Point 해석법에서 회로에 표기되는 전압은 다 제로 그라운드를 기준으로 측정된 전압만 표기됩니다. 그게 노드 전압이라는 의미입니다. 전류값이 직렬이기 때문에 소자값에 상관없이 흐르는 전류값이 다 동일합니다. 앞에 부호가 다 플러스로 되어 있습니다. 플러스 전류값만 표시가 된다는 얘기입니다. 음 무슨 얘기냐면은 회로 이론 쪽에 이제 사실상 들어가야지 설명을 드릴 수 있는 내용이 되겠는데 전류 같은 경우는 저희가 이제 표시를 할 때 크기하고 그 다음에 방향으로 표시합니다 그 얘기는 뭐냐면은 크기는 이제 여기 써있는 것처럼 7.143mA, 3A, 5A 이런게 이제 크기가 되겠고 방향을 같이 표시한다고 말씀드렸는데 방향이 반대되면 앞에 마이너스 부호를 붙입니다. 여기 보시면 다 플러스 값 밖에 없죠. 물론 회로 자체가 현재 플러스만 표시가 되도록 되어 있는데 플러스 전류 값만 표시가 된다는 거 꼭 기억을 해 주시기 바랍니다. PSpice는 저항이 있는데 저항의 회로 그린 데서 말씀드렸지만 양쪽에 조그마한 네모가 있습니다. 그 부분을 단자라고 얘기하는데 들어가는 단자 쪽에서 측정하면 전류가 플러스가 나오고 전류가 흘러 나가는 단자 쪽에서 전류를 측정하면 마이너스가 표시가 되도록 되어 있습니다. 그런데 지금 보시는 것처럼 Bias Point에서 I를 클릭하면 다 들어가는 쪽에서 표시가 되기 때문에 플러스 전류값만 표시가 된다는 것도 꼭 기억해 두시기 바랍니다. 전력도 마찬가지입니다. W가 된 것은 전력인데 W를 누르시면 각 소자에서 소모되는 전력을 알 수가 있습니다. 이 부분은 뭘 설명 드리려고 하는 거냐 하면은 지금 저희가 Bias Point에서 회로도에서 어떤 전압 값, 전류 값, 그 다음에 전력 값을 확인하기 위해서는 이런 부분이 활성화가 돼 있어야 됩니다. 이렇게 초록색으로 활성화 돼 있어야 되는데 어떤 경우에는 이렇게 다 회색으로 되어 있어서 비활성화가 되어 있는 경우가 있습니다 자 이거는 이제 뭐 때문에 그러냐면은 PSpice를 누르시고 들어가 보시면 맨 아래 부분에 Bias Point가 있습니다 여기서 이 Enable 부분이 체크가 돼 있어야 된다는 얘기가 되겠습니다 그래야지 이 V, I, W 3개의 버튼이 활성화가 되어 있습니다 꼭 기억을 해 주시기 바랍니다 다 회색으로 뜬다고 해가지고 당황하실 필요가 없겠습니다. 지금까지 살펴본 내용을 전체적으로 동영상을 통해서 다시 한번 설명드리도록 하겠습니다. 프로젝트를 만드는 부분부터 처음부터 다시 설명드리도록 하겠습니다. 먼저 OrCAD를 실행시켜야 되겠습니다. Capture를 실행시키고 화면에 뜨면 File에서 New Project 이름을 넣어야 되는데 뭐라고 넣어볼까요? Bias Point 해석을 하니까 Bias Point 01 정도로 하겠습니다. Create Blank Project 회로들을 그릴 수 있는 부분이 나오는데 저항을 이용해서 직병렬 회로를 하나 그려보도록 하겠습니다 먼저 저항을 가져가야 하니까 아날로그 라이브러리에서 파트 서치 부분에 R을 입력하시면 아날로그 라이브러리에 있는 부품 중에서 R이 바로 표시가 됩니다 더블클릭해서 가져오고 Rotate를 통해서 90도 정도 회전시켜 보겠습니다 하나 배치, 하나 더 배치하고 직렬로 옆에 병렬로 하나 더 배치하겠습니다. 이 정도만 배치하도록 해 보죠 그 다음에 이제 전원 하나 필요하겠습니다 전원 공급해야 되니까 소스에서 VDC 사용할 거니까 서치 부분에다가 VDC라고 쳐보면 바로 VDC가 표시가 됩니다 더블클릭해서 가져오죠 하나만 있으면 되니까 End Mode에서 빠져나가고 약간 배선을 위해서 좀 확대를 시켜 보겠습니다 자 다시 End Mode에서 빠져나가고 Place Wire를 클릭해서 단자와 단자 사이를 와이어로 연결하시면 되겠습니다. 3개 이상의 소자가 만날 때는 접속점이 바로 생기는지 핑크색 부분이 생기는지 바로 확인하시면 되겠습니다. 핑크색 부분이 생기지 않으면 그 부분에 접속되지 않았다는 얘기가 되겠습니다. 자 그라운드도 하나 연결해야 되겠죠. Place Ground에서 Zero Ground 두 개 중에 하나 아무거나 자 End Mode 하고 다시 Place Wire로 연결하도록 하겠습니다. 자 이정도면 회로도 구성은 대충 끝났죠. 이제 소자값을 좀 변경시키면 되겠습니다. 얼마로 해볼까요? 1k옴 V1 값을 입력합니다. 이 정도 하면 회로도는 끝났습니다 그럼 그 다음에 시뮬레이션 프로파일을 만들어야 되겠죠 PSpice에서 New Simulation Profile 이름은 아까 프로젝트 이름하고 똑같이 Bias Point 01로 하겠습니다 시뮬레이션을 Run 시키면 되겠습니다. Run PSpice 버튼을 눌러서 실행하겠습니다. 아랫부분에 또 작업 표시줄에 하나 떠 있는 게 있죠 클릭을 하면 원래 이제 대부분의 해석에서는 파형이 뜨게 되는데 파형이 뜨지 않습니다 다시 회로도로 들어와서 위에 있는 V, I, W를 한번 눌러 보겠습니다 확대를 좀 더 시켜 볼까요 좀 보기 좋게 이 정도면 된 것 같습니다 I를 눌렀습니다. 보이시죠 지금. 1k옴과 4k옴은 직렬이기 때문에 똑같은 2mA가 흐르고 있고 전체 전류값 다 합친게 4mA. 키르히호프 전류 법칙이라고 하는데 성립하는 것도 볼 수가 있습니다. 다 플러스 전류값이죠. I를 끄고 V만 누르면 지금 이제 전압이 나옵니다. 노드 전압이라고 했습니다. 지금 위가 다 똑같은 부분이기 때문에 전압이 10볼트 하나밖에 표시가 되지 않습니다. W 그러면 각 저항 4개에서 소모되는 전력이 다 표시가 되고 있습니다. 공급 전력과 소모된 전력의 합과 동시에 두 가지를 다 보이게 할 수도 있습니다. 전압과 전류 전력도 표시해 볼까요 전압, 전류, 전력을 수치로 볼 수 있다는 장점이 있습니다. Bias Point 해석법은 값이 변하지 않는 직류 회로에서 많이 사용하는 방법입니다.