입/출력 임피던스(Impedance, Z)

임베디드 회로를 공부하고, 여기저기 찾아다니다 보면 "임피던스"라는 용어를 말을 자주 듣게 된다.

특히 "입력 임피던스가 세다", "출력 임피던스가 세다" 이런 말을 자주 들었는데 이번에 임베디드 회로 영역에서 매우 중요한 만큼 의미를 정리하고자 한다. 

1. 리액턴스 (Reactance)

tip : 리액턴스 (주파수의 저항) = 커패시터에서 발생하는 용량성 리액턴스(Xc) + 인덕터에서 발생하는 유도성 리액턴스(Xl)

리액턴스는 주파수에 따라 변하는 교류AC의 흐름을 막는 저항 성분의 크기를 의미한다.

단위는 저항과 마찬가지로 옴Ω 단위를 사용한다.

저항은 전력을 소모를 의미하지만, 리액턴스는 에너지를 저장 할뿐 전력 소비는 없다.

리액턴스는 커패시턴스와 인덕턴스에서 생기는데 커패시턴스는 용량성 리액턴스, 인덕턴스는 유도성 리액턴스 라고 한다. 중요한 것은 신호의 주파수에 따라 리액턴스의 값이 변한다는 것이 중요하다.

그리고 저항은 주파수에 관계없이 항상 동일한 값을 가지므로, 리액턴스에 포함되지 않는다.

2. 임피던스 (Impedance)

tip : 임피던스 = 저항 + 리액턴스

임피던스는 저항과 리액턴스를 포함하여 전류의 흐름을 방해하는 모든 성분을 통틀어 의미한다.

Z로 표현하고, 단위는 저항과 같이 옴Ω 단위를 사용한다.

기생 저항 성분이 없는 이상적인 커패시터와 인덕터 소자는 리액턴스와 임피던스가 같다.

리액턴스가 AC에 대한 저항 성분이라면, 임피던스는 저항을 포함하기 때문에 AC/DC에 대한 저항 성분으로 표현한다.

 

임피던스 Z는 다음과 같이 구한다.

Z = 저항 + 복소수 리액턴스

3. 입/출력 임피던스 (Impedance)

tip : 출력 측 임피던스는 작을 수록, 입력 측의 임피던스는 클 수록 좋다.

개인적인 생각이지만, DC 회로에서 도대체 왜 임피던스를 취급하는지에 의문이 들었다.

오랜 고민끝에 이렇게 정리하기로 했다. 임베디드 시스템에서 신호의 전달은 매우 중요하다.

신호는 주파수의 개념으로 이어질 수 있고, 이 주파수 때문에 저항 대신 임피던스라는 걸 사용하는 것 같다.

DC는 이론적으로 주파수가 없지만, 미세한 노이즈마저 주파수로 취급하여 신호의 전달을 위해 임피던스로 취급하여 사용하는 것 같다.

OUTPUT 출력 쪽의 임피던스는 부하의 INPUT 입력 임피던스로 인해 전압이 분압이 되어 의도치 않는 신호가 전달 될 가능성이 있다.

3.3V 의 출력을 주고 부하의 소자가 3.3V의 입력을 받기를 기대하였지만 소스의 출력 임피던스는 10옴 이고 부하의 입력 임피던스가 10옴이라면 부하 입력단의 전압 V는 3.3V가 아니라 전압분배에 의한 1.65V가 될것이다. 이런 임피던스의 영향을 받지 않기 위해서는 부하쪽의 입력 임피던스가 굉장히 커야하고, 출력 쪽의 임피던스는 작을 수록 신호에 영향이 적게 된다.

tip : 임피던스 매칭법 / 출력측 임피던스:입력측 임피던스  = 1:10

입/출력 임피던스의 영향에 대한 회로 설계의 규칙으로

소스의 출력 임피던스 대비 10배 이상의 입력 임피던스를 가져야 한다.

반대로 부하의 입력 임피던스에 대비하여 1/10배 이하의 출력 임피던스를 가지도록 설계하여 90% 이상 신호 전달율을 유지해야만 한다.