감쇠기 및 증폭기의 기본 | 신호 제어의 요점 설명

전자기기나 통신 시스템의 진화와 함께 신호의 정확한 제어가 요구되는 현대에 있어서 감쇠기(감쇠기)의 역할은 점점 중요해지고 있습니다.

이 기사에서는 감쇠기의 기본 정의와 그 유형, 그리고 수행하는 역할에 대해 자세히 설명합니다. 게다가 신호의 증폭을 담당하는 증폭기의 정의나 역할, 종류에 대해서도 다루고, 그 외의 측정용 소자와의 관련성에 대해서도 소개합니다.

감쇠기(감쇠기)란?

감쇠기 (감쇠기)는 전기 신호의 강도를 왜곡없이 억제하는 장치입니다. 전자 계측이나 물리량 계측의 현장에서 폭넓게 사용됩니다.

내부에는 여러 개의 저항기가 내장되어 있으며, 입력된 전력이 저항을 통과할 때 열로 소산되어 신호가 감쇠합니다. 저항값의 비율로 감쇠량이 정해지기 때문에 목적에 맞게 저항값을 바꾸면 과대 입력에서 계측기를 보호하면서 적절한 레벨까지 신호를 약화시킬 수 있습니다.

시스템 전체의 동적 범위를 확장하는 데도 도움이 되며, 너무 높은 입력 신호를 억제하면서 측정 및 통신을 안정화합니다. 계측기의 입력 범위를 벗어나면 고장의 위험이 있으므로 감쇠기를 도입하여 안전성과 신뢰성을 높일 수 있습니다.

또한, 고주파 회로나 광통신 등의 분야에서도 잡음이나 왜곡을 저감하면서 정확한 데이터 취득을 가능하게 하는 중요한 요소로서 유용하다.

감쇠량을 어느 정도로 설정하는지는 시스템의 요건에 따라, 사양서에 나타나는 주파수 대역이나 최대 입력 전력을 확인하고, 최적의 제품을 선택하는 것이 필요합니다.

감쇠기(감쇠기)의 종류

감쇠기는 몇 가지 유형이 있습니다. 각각의 특징을 이해하면 장치 선택으로 실패하기 어려워집니다.

대표적인 종류는 다음과 같습니다.

고정형 감쇠기
가변 감쇠기
빛 감쇠기

고정형 감쇠기

고정형 감쇠기는 설치 시점부터 일정한 감쇠량으로 신호를 억제하는 장치입니다. "10dB"와 "20dB"와 같은 미리 설정된 특정 값만 신호를 약화시킵니다.

내부에는 저항 네트워크가 내장되어 있어 특정 주파수 대역에서 안정적인 감쇠 성능을 발휘합니다. 심플한 구조이기 때문에 작고 경제적인 제품이 많아 전기적인 안정성도 우수합니다.

통신기기나 측정설비 등 다양한 환경에서 영구적으로 사용되는 경우가 많으며, 특정 회로 설계에 최적화되어 선정됩니다. 높은 내구성을 가지며 저주파에서 고주파까지 광범위한 주파수에 대응 가능합니다. 고정형을 사용하면 항상 일정한 감쇠량을 얻을 수 있으므로 측정 결과의 재현성이 높다는 장점이 있습니다.

그러나 감쇠량을 변경해야 하는 경우에는 장비 자체를 교체해야 합니다.

가변 감쇠기

가변 감쇠기는 감쇠량을 단계적으로 또는 연속적으로 조정할 수 있는 유연성이 있는 장치입니다. 다이얼 조작이나 스위치 전환에 의해, 5dB, 10dB, 20dB 등, 필요에 따라서 감쇠량을 간단하게 변경할 수 있습니다.

이러한 특성으로 인해 측정 조건이 자주 변하는 연구 시설 및 실험 환경에서 특히 유용하며 다양한 테스트 장비의 일부로도 널리 활용됩니다.

가변형의 특징은 사용 상황에 맞추어 실시간으로 최적의 감쇠량을 설정할 수 있다는 점입니다. 제품 타입으로는, 미리 정해진 값으로 단계적으로 조정할 수 있는 스텝형과, 임의의 값으로 매끄럽게 조정 가능한 연속형이 존재합니다.

그러나, 이 조정 기능을 실현하기 위해서, 고정형에 비해 구조가 보다 복잡해지기 때문에, 제조 비용이 상승하고, 사이즈도 커지는 경향이 있다. 특히 고주파 영역에서의 설계는 기술적 난이도가 높고, 우수한 감쇠 특성과 주파수 특성을 양립시킨 고정밀 제품만큼 고가격이 됩니다.

빛 감쇠기

광 감쇠기는 광통신 시스템에서 광섬유를 전파하는 광 신호의 강도를 제어하는 전용 장치입니다. 전기 신호의 감쇠와 달리 빛의 투과율 자체를 조정하는 원리로 작동합니다. 이 장치는 주로 광섬유 끝에 연결되는 고정 감쇠량 유형과 필요에 따라 투과율을 조정할 수 있는 가변 유형의 두 가지 유형을 제공합니다.

장거리 광통신에서는 과도하게 강한 광신호가 수신기에 도달하면 수신부가 포화 상태가 되어 측정 정밀도의 저하나 통신 품질의 열화를 일으키는 것이 문제입니다. 광 감쇠기는 이러한 문제를 미연에 방지하는 중요한 역할을 담당하고 있습니다.

기본 구조의 광 감쇠기는 특정 광학 필터를 사용하여 일정량의 빛을 차단하는 방식을 채용하고 있습니다. 한편, 가변형 제품에서는 기계적으로 빛의 경로를 변화시킴으로써 감쇠량을 조정하는 메커니즘이나 빛의 편광 특성을 활용한 감쇠 방식 등 보다 세련된 기술이 사용되고 있는 것이 특징입니다.

광 감쇠기의 용도는 광통신 네트워크의 신호 조정에 그치지 않고, 각종 광 계측 기기의 교정(캘리브레이션) 프로세스에 있어서도 필수적인 요소가 되고 있습니다. 광 신호의 정확한 제어가 필요한 모든 광학 시스템에서 중요한 기반 기술로 자리 잡고 있습니다.

감쇠기(감쇠기)의 역할

신호를 약화시키는 감쇠기는 단순히 출력 레벨을 낮추는 장치가 아닙니다. 장비 보호에서 정확한 데이터 획득까지 다양한 역할을 수행합니다.

감쇠기의 주요 역할은 다음과 같습니다.

신호 레벨 조정
임피던스 매칭
과부하 보호

각각을 자세히 설명합니다.

신호 레벨 조정

감쇠기는 수신기가 최적의 상태에서 작동하도록 입력 신호의 강도를 적절한 레벨로 억제하는 장치입니다. 과대한 입력 신호는 수신기 내부에서 포화 현상이나 파형의 변형을 일으켜 측정 결과의 정확성을 현저하게 손상시키는 원인이 됩니다. 감쇠기를 신호 경로에 삽입함으로써 수신기나 각종 측정 기기가 정확하게 처리할 수 있는 범위 내까지 신호 강도를 감쇠시킬 수 있습니다.

예를 들어, 스펙트럼 분석기를 이용한 주파수 분석에서는 입력 신호가 지나치게 강하면 표시되는 진폭 값이 부정확해지고 정확한 측정이 어려워집니다. 감쇠기를 넣으면 파형의 변형을 방지하고 정확한 주파수 특성을 확인할 수 있습니다.

실험 현장에서는 측정 대상의 출력이 매일 바뀌는 경우에도 조정이 필요합니다. 과도한 신호를 억제하면 비싼 장비를 손상시킬 위험을 줄일 수 있습니다.

임피던스 매칭

감쇠기는 송신측과 수신측의 회로가 가지는 특성 임피던스를 맞추는 역할도 담당합니다. 고주파 신호에서는 임피던스가 맞지 않으면 반사가 발생하여 중요한 전력이 돌아 버리는 문제가 발생합니다.

감쇠기는 저항과 그 밖의 회로 소자에 의해 신호 경로의 특성 임피던스를 적절히 조정하는 기능을 가지고 있는 것이 특징입니다.

고주파 영역에서는 약간의 임피던스 불일치가 특정 주파수에서 현저한 신호 반사를 유발하여 통신 품질과 측정 정확도에 심각한 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 감쇠기는 신호를 감쇠시키는 과정에서 이러한 미세한 불일치를 완화하는 효과가 있습니다.

여러 장비를 다단으로 연결하는 복잡한 시스템에서는 감쇠기를 적절히 배치하여 신호 에너지 손실을 최소화하면서 전체 시스템의 임피던스 매칭을 최적화할 수 있습니다.

과부하 보호

신호 소스와 수신기의 경우 과도한 전력은 심각한 손상을 초래합니다. 한계를 넘어 입력이 가해지면 고가의 센서나 회로가 파손될 우려도 있습니다.

감쇠기는 이러한 상황에서 과도한 에너지를 적절하게 감쇠시키는 보호 장치 역할을합니다. 너무 강한 신호를 안전한 레벨로 줄임으로써 중요한 계측기기와 통신장치를 보호할 수 있습니다.

특히 고출력의 무선 송신기나 고에너지 레이저 시스템 등을 취급하는 환경에서는 계측기나 수신기의 전력 허용치를 신중하게 고려해야 합니다. 감쇠기를 시스템에 통합하면 대출력 기기의 취급에 있어서도 안전성을 확보할 수 있습니다.

시스템 전체를 안정적으로 가동시키기 위해 감쇠기는 필수적인 존재라고 할 수 있습니다.

광통신에 사용

광통신에서는 레이저 광을 광섬유로 통과시켜 대용량 데이터를 교환합니다. 광 신호가 지나치게 강하면 수신부에서 포화되어 잘못된 데이터가 감지됩니다. 그래서 광 감쇠기를 도입하여 최적의 광 강도에 맞추는 궁리가 필요합니다.

장거리 통신에서는 신호 감쇠를 고려하여 광원의 출력 파워를 높게 설정할 필요가 있습니다만, 근거리 구간에서는 반대로 그 강도가 과잉이 되어, 수신기에 부담을 가하는 경우가 있습니다.

가변형 광 감쇠기를 이용하면 전송 거리나 접속 기기의 특성에 따라 유연하게 감쇠량을 조정할 수 있어 항상 최적의 신호 레벨을 유지할 수 있습니다.

많은 광 네트워크에서는 모듈 단위로 광 감쇠기가 내장되어 있어 세밀한 관리가 이루어집니다. 광 감쇠기의 적절한 활용은 광통신 시스템의 신뢰성 향상과 성능 최적화에 필수적이며, 급증하는 데이터 트래픽에 대응하는 현대의 통신 인프라를 지원하는 중요한 기술이 되고 있습니다.

증폭기의 정의와 역할

감쇠기가 신호를 의도적으로 약화시키는 장치인 반면, 증폭기는 입력 신호에 에너지를 부가하여 전압과 전력을 증대시키는 장치입니다. 증폭기는 입력 신호에 에너지를 추가하여 전압과 전력을 증가시킵니다. 음향 기기에서 통신 기기에 이르기까지 다양한 분야에서 필요합니다.

미약한 센서 신호를 취급하는 장면에서는, 증폭기가 없으면 측정할 수 없을 정도로 작은 전압을 줍는 경우가 많습니다. 예를 들어, 생체 측정이나 기상 관측은 노이즈 레벨과 거의 같은 정도의 미세한 신호를 취급합니다. 증폭기를 사용하여 적절한 범위까지 신호를 끌어 올리면 시각화 및 처리가 가능합니다.

통신 기술 분야에서도 증폭기는 중요한 역할을 한다. 특히 장거리 전송에서는 신호가 전송 매체 내에서 자연적으로 감쇠하기 때문에 일정 간격으로 신호를 증폭해야 합니다. 광통신 시스템에서 광 증폭기의 개발은 중계기 사이의 거리를 크게 연장하고 대륙을 연결하는 초장거리 광섬유 통신을 실현하는 혁신적인 기술이되었습니다.

증폭기의 종류

증폭기는 취급하는 주파수나 동작 원리, 목적에 따라 온갖 종류가 있습니다. 일례로서 연산 증폭기(연산 증폭기)는 미약한 신호를 증폭하여 아날로그 연산을 하는 범용성이 높은 전자 부품입니다.

전력 증폭기는 스피커를 구동하는 오디오 파워 앰프와 같이 큰 출력이 필요한 장면에서 사용됩니다.

고주파를 다루는 장면에서는 고주파 증폭기(RF 앰프)가 활약합니다. 무선 통신 기기나 레이더 등에서 중요한 역할을 하고, 주파수 대역에 맞춘 설계가 필요합니다. 한편, 저잡음 증폭기(LNA)는 특히 미약한 신호를 수신하는 단계에서 노이즈를 최소화하기 위해 도입된다.

증폭기를 선택할 때는 이득(게인), 주파수 응답 특성, 노이즈 특성, 선형성, 전원 효율 등 많은 요소를 신중하게 고려해야 합니다. 잘못 선택하면 신호가 왜곡되거나 노이즈가 증폭될 위험이 높아지므로 주의가 필요합니다.

기타 측정용 소자

계측이나 통신으로 활약하는 소자는 감쇠기나 증폭기만이 아닙니다. 다양한 측정 요소가 있으며 각각은 시스템 전체의 정확성과 안정성을 지원합니다.

커플러(방향성 결합기)
일부 신호를 분리하는 장치입니다.
송신 파형의 감시나 반사파의 측정에 이용됩니다.
피르타
필요한 주파수 대역만 통과시켜 불필요한 주파수를 차단합니다.
저주파 성분만 통과시키는 로우 패스 필터와 고주파만 통과시키는 하이 패스 필터 등이 있습니다.
서큘레이터
단방향의 흐름만을 허가해, 역방향에는 통과하지 않는 기능을 가지는 고주파 부품입니다.
안테나를 송수신 겸용으로 사용할 때 활약합니다.
파워 미터
신호의 전력을 정확하게 측정하고 시스템의 작동 상태를 파악합니다.
감쇠기와의 조합으로 고출력 측정 범위도 커버할 수 있습니다.