[편집자 주] 아날로그 회로 설계 도구 중 하나인 LTspice를 잘 사용하기 위해서는 기본 사용법을 넘어 아날로그 회로의 직관적인 이해가 필요하다. 이런 가운데 e4ds news는 증폭기·필터·스위칭 전원·ADC 등 실무 회로를 시뮬레이션하며 설계 감각을 익히고, 플라이백 컨버터 등 산업 현장과 연결된 예제로 실전 역량을 강화할 수 있는 교육을 마련했다. 이에 이번 교육을 담당할 임승찬 교수와 만나 강의 내용과 함께 아날로그 기술의 지속적 중요성과 엔지니어 협업의 가치에 대해 들어봤다.
 

■ 이번 LTspice 집중 마스터 클래스 교육 내용에 대해 간단한 소개를 부탁드린다

LTspice는 훌륭한 아날로그 회로 설계도구 중 하나다.

전기자기학의 맥스웰 방정식 또는 회로의 연립 미분방적식을 풀지 않더라도 복잡한 회로의 동작을 우리가 오실로스코프로 파형을 관찰하거나 스펙트럼 아날라이저로 주파수 응답 화면을 보는 것처럼 시뮬레이션할 수 있게 해준다.

반면에 아무리 훌륭한 도구라도 시뮬레이션 하고자 하는 회로의 기본 동작에 대한 직관적 이해는 해야 한다.

본 교육은 단순히 LTspice의 사용법을 숙달시키는 것을 넘어서서 우리가 접하는 여러가지 회로들 즉, 증폭기, 능동 필터, 믹서, 선형 및 스위칭 레귤레이터, ADC 및 DAC 회로들에 대한 직관적 이해를 돕도록 구성했다.

텍스트 기반 회로시뮬레이터인 SPICE는 UC Berkley에서 개발되고 1980년 초부터 상용화가 된 이후로 가장 널리 사용되는 아날로그 회로 시뮬레이터다.

SPICE를 기반으로 하는 시뮬레이터로는 Analog Device사의 LTspice외에도 Cadence사의 PSPICE, National Instrument사의 Multisim 등이 있다.

이중에서 LTspice는 무료로 다운받아 사용할 수가 있고, Analog Device사 제품 외에도 이 회사가 인수한 Linear Technology사와 Maxim사의 IC 부품에 대한 라이브러리도 사용할 수가 있어서 최강의 아날로그 시뮬레이터라고 할 수가 있다.

■ 실무자들이 LTspice를 배우면서 가장 많이 겪는 어려움은 무엇이고, 이번 강의에서 어떻게 해결할 수 있는지 궁금하다

강력한 아날로그 회로 시뮬레이터가 회로설계 엔지니어게 편리함을 주는 것은 사실이지만 시뮬레이션 결과가 만족스럽지 않을 경우 부품값과 파라미터들을 어떻게 바꿔야 할지를 제시해 주지는 않는다.

결국 LTspice는 도구일 뿐이고, 훌륭한 회로를 설계하는 것은 설계자의 몫이다.

이번 교육에서는 각종 기본회로에 대한 직관적 이해를 도울수 있도록 여러분이 대학교에서 배웠던 회로설계, 전자회로 과목의 중요 내용들을 되집어 보면서 진행한다.

■ 커리큘럼에 LT8306 기반 플라이백 컨버터 실습이 포함되어 있는데, 이 예제를 선정한 특별한 이유가 있는지

플라이백 컨버터의 가장 큰 장점은 전원측과 부하측을 isolation, 즉 전기적으로 분리시킨다는 것이다.

이렇게 하면 접지 루프(Ground Loop)가 분리되어 EMI 잡음을 줄일 수 있고, 전기적 쇼크나 전원 서지(surge)로부터 민감한 부품을 보호하고 인명사고를 막을 수 있을 수 있다.

물론 회로 isolation을 위해 optocoupler를 사용할 수도 있으나 이 방법은 응답속도, 선형성(Linearity), 온도변화, 동작범위 등에서 불리하다.

플라이백 컨버터는 또한, Buck(Step-down)과 Boost(Step-Up) 모두 가능하고, 복수의 출력을 얻을 수 있는 등 기능적으로 다양한 장점을 제공하며 비용도 저렴하다.

Air Gap Transformer가 무엇이고 어떤 장점이 있는지, Faraday의 유도법칙이 어떻게 적용되는지를 학습하는 교육적 효과도 제공한다.

■ BJT 증폭기 설계나 OP AMP 필터 실습을 통해 수강생들이 얻게 될 가장 큰 학습 효과는 무엇인지

대학교 전자회로 과목에서 BJT 또는 FET 소신호 증폭기 설계에 대하여 배울 때 DC 분석을 통하여 DC 전류를 구한 후 이 결과를 이용하여 소신호 파라미터를 구한 후 소신호 분석을 하는 복잡한 과정을 거쳤다.

반면에 LTspice를 이용하면 단번에 과도 응답(Transient Response)와 주파수 응답을 얻을 수 있는 편리함을 체험하게 된다.

OPAMP 능동필터를 이용하면 원리적으로 고차의 필터 구현이 가능하지만 수식이 너무 복잡해져서 대학교에서는 2차 필터까지만 풀어보고 끝낸 경우가 많을 것이다.

이 교육에서는 하나의 IC(LT 1568)를 이용하여 4차 Narrow Bandpass Filter를 설계하면서 시뮬레이터의 위력을 실감하게 된다.

■ 응용 회로 시뮬레이션(ADC, 레귤레이터, 스위칭 전원 등) 파트에서 실제 산업 현장과 연결되는 사례를 소개한다면

이 강의에서는 LTspice를 사용하여 레귤레이터 시뮬레이션 시에 리플전압, 효율 등의 주요 파라미터를 측정하는 방법을 다룸으로써 전원 설계 시 시행 착오를 최소화할 수 있도록 한다.

또한 부하 조건을 바꿔 가면서 리플 전압이 어떻게 증감하는지도 파악할 수 있다.

회로를 설계 및 제작하여 기능적으로 이상이 없더라도 스위칭 전원이 발생시키는 EMI 노이즈 때문에 고생을 하는 경우가 많다.

아날로그 디바이스사의 제품 중 EMI-Silent 스위칭 레귤레이터들은 어떠한 원리로 스위칭 잡음을 내지 않는지도 소개할 예정이다.

■ 현업 엔지니어들이 LTspice를 통해 가장 먼저 체득해야 할 '실무 감각'은 무엇이라고 생각하는지

LTspice 시뮬레이션 결과가 실제로 구현한 결과와 다른 경우가 있다.

이것은 LTspice의 결함이 아니고, 우리가 시뮬레이션 시에 사용한 부품 모델이 실제 사용한 부품의 특성과 다를 때 생긴다.

이런 경우 우리가 사용하는 부품들에 대하여 깊은 이해가 필요하다.

그래서 LTspice의 편리함을 누리더라도 꾸준한 회로이론, 전자회로에 대한 공부, 그리고 부품 datasheet에 대한 숙독이 필요하다.

아날로그 회로설계 엔지니어들은 대개 집중력은 강하지만 협업이나 노하우 전수에는 인색한 면이 있다.

이러한 장벽을 거둬내면 개인과 조직이 더 많은 것을 성취할 수 있다고 생각한다.

또 한 가지 말씀드리고 싶은 것이 있다.

“Do not reinvent the wheel.”이라는 격언이 있다.

이미 이 세상에 존재하는 좋은 것을 다시 개발하는데 시간과 노력을 낭비할 필요가 없다는 의미다.

여러분이 설계하고자 하는 회로는 이 세상에서 여러분이 처음으로 만드는 것이 아닐 확률이 크다.

또한 여러분이 설계 중에 닥치는 문제점이 여러분이 처음으로 겪는 것이 아닐 확률이 크다.

LTspice 데모 회로 라이브러리를 통하여 좋은 회로를 찾아내고 커뮤니티 활동을 좋은 소통을 한다면 아날로그 회로 개발 업무가 더 여유있고 즐거운 시간이 될 것이다.

■ 마지막으로 e4ds 독자들에게 한 말씀 부탁드린다

e4ds 웨비나 안내 페이지에 아날로그 회로 시뮬레이션 도구인 LTspice 교육 안내가 뜬 것을 보고, 디지털 그리고 AI로 다 통하는 세상에 아날로그가 웬말인가 의아해하는 사람도 있을 것이다.

반면에 아직도 무선 통신의 고주파 영역, 고정밀성 및 고속 응답이 요구되는 응용들은 디지털이 대체하지 못하고 있다는 말씀을 드리고 싶다.

또한 제가 인공지능에게 물었다.

아날로그 설계업무를 AI가 대체할 수 있게 되냐고. 그랬더니 AI의 대답은 No였다.

그 이유는 아날로그의 설계 노하우는 디지털에 비해서 인터넷을 통하여 공유되는 비율이 낮아서 AI가 학습할 데이터 수집이 어렵기 때문이라고 한다.

그래서 아날로그는 AI가 아닌 인간이 계속 맡아서 해결해야 하는 영역이다.

아날로그 회로 기술은 또한 피지컬 AI의 핵심 센서, 초소형 정밀 모터 구동회로, 초소형 고효율 전원 등을 개발하는 데도 필요하다.

즉, 미래에 다가올 AI 세상과도 밀접한 관련이 있는 기술인 것이다.