임피던스 분석기란?
임피던스 분석기는 이름 그대로 임피던스(저항) 분석기입니다. 임피던스는 교류 회로에서 전압과 전류의 비율로, 전류가 잘 흐르지 않는 정도를 나타내는 지표입니다. 임피던스는 복소평면의 벡터량으로 표시되며, 허수축의 리액턴스와 실수축의 저항(저항) 성분으로 표현됩니다.
전류가 직류인 경우 저항 성분만 존재하며, 옴의 법칙으로 표현되는 V=IR로 표현됩니다. 리액턴스에는 크게 두 가지 저항이 있는데, 하나는 코일 등의 권선을 대표하는 L(인덕터) 성분을 대상으로 하는 유도성 리액턴스이고, 두 번째는 커패시터를 대표하는 C(커패시터) 성분을 대상으로 하는 용량성 리액턴스입니다. 이 교류 성분을 포함한 전기 저항인 임피던스를 분석하는 기계가 바로 임피던스 분석기입니다.
임피던스 분석기의 사용 용도
임피던스 분석기의 사용 용도는 교류 성분을 포함한 전기 저항인 임피던스에 대해 그 성분을 상세히 분석할 때 사용하게 됩니다.
예를 들어, 그 분석 결과는 대부분의 임피던스 분석기의 경우 가로축을 주파수, 세로축을 전압이나 전류 등 사용자가 원하는 파라미터(변수)로 나타낸 그래프를 임피던스 분석기 화면에 표시하게 됩니다. 이와 유사한 장치로 LCR 미터라는 것도 있습니다.
그러나 LCR 미터는 핀포인트의 결과를 수치로 표시하는 데 그치지만, 임피던스 분석기는 광범위한 주파수 대역을 대상으로 한 범위의 각종 파라미터를 그래프로 표시할 수 있습니다.
임피던스 분석기의 원리
임피던스 분석기는 다양한 주파수의 교류 신호를 인가하여 전류, 전압, 위상차를 측정함으로써 임피던스의 저항 성분과 리액턴스 성분을 측정할 수 있으며, 공진법, I-V법, 자동 평형 브리지법 등 다양한 측정 방법이 있습니다.
여기서는 대표적인 예로 자동 평형 브리지 회로에 의한 측정 방법을 설명하겠습니다. 자동 평형 브리지 회로에서는 신호원과 두 개의 전압계, 전류-전압 변환기가 사용됩니다. 시료에 흐르는 전압과 기준 저항에 흐르는 전압의 비율을 계산하여 시료의 임피던스를 측정할 수 있습니다.
자동 평형 브리지법에서는 110MHz 이하의 주파수를 폭넓게 측정할 수 있습니다. 더 높은 주파수의 임피던스를 측정하는 경우에는 RF I-V법 등이 사용됩니다.
얻어진 데이터는 가로축을 주파수, 세로축을 임피던스로 플롯한 보드선도나 가로축을 저항, 세로축을 리액턴스로 플롯한 콜-콜-콜 플롯 등으로 그래프화하여 해석을 실시합니다. 이를 등가회로 분석함으로써 회로 설계나 전극 등의 저항 성분을 분리할 수 있습니다.
임피던스 분석기의 기타 정보
1. 임피던스 분석기와 네트워크 분석기의 차이점
임피던스 분석기와 네트워크 분석기는 모두 DUT(피시험편)에 신호를 입력하고, 출력 측에 나타난 신호 강도와 위상을 입력과 비교하여 DUT의 임피던스 성분을 측정하는 장치입니다.
임피던스 분석기는 10kΩ 이상의 높은 임피던스를 정밀하게 측정할 목적으로 사용됩니다. 단, 측정 가능한 주파수 범위는 100MHz 정도까지입니다.
네트워크 분석기는 10GHz 정도까지 측정할 수 있어 10kΩ 이하의 임피던스를 측정하는 경우에 적합합니다. 통신기용 디바이스는 고주파수 대역까지 특성 측정이 필요하기 때문에 네트워크 분석기가 사용됩니다.
2. 임피던스 분석기 사용 방법
임피던스 측정에는 4개의 단자가 사용됩니다. 입력 전류를 인가하기 위한 단자, 입력측 전압을 측정하는 단자, 출력측 전류를 측정하는 단자, 그리고 출력측 전압을 측정하는 단자입니다.
측정할 대상(DUT)은 입력측과 출력측 사이에 끼워 사용하는데, 보다 정확한 측정을 위해 픽스처라는 측정용 지그(Fixture)를 사용합니다. 픽스처는 DUT를 안정적으로 고정하는 것과 외래 노이즈를 줄이고 신호의 전파를 감소시키지 않기 위해 사용되는 중요한 측정 지그입니다.
3. 임피던스 분석기의 가격
측정할 수 있는 주파수 범위와 임피던스에 따라 가격대가 다양합니다. 대략적인 임피던스를 측정할 수 있는 간단한 측정기는 10만원 정도에 구입할 수 있습니다.
실험이나 개발에 사용되는 고정밀 기종이라면 200만 원~500만 원이 시세입니다. 여기에 계측을 위한 DUT 고정 지그와 케이블로 100만원 정도가 필요합니다.