반도체 Chip의 Spec table을 보시면, Vcc, Vdd, Vss, Vee 와 같이 다양한 전압이 표현됩니다. 그리고 Power면 그냥 Power지 Dynamic Power, Static Power로 구분됩니다. 오늘은 이 부분에 대해서 간략하게 다루어보도록 하겠습니다.
[질문 1] Dynamic Power에 대해서 명하세요.
Dynamic Power는 Device가 ON 되었을 때, 소모되는 Power입니다. 단위 시간당 Charge를 통해 전류를 구함으로써 소모되는 Power를 계산할 수 있습니다. 먼저 단위 시간 당 Charge는 아래 식 같이 Current를 의미합니다.
1/t는 1주기로 평소 우리가 알고 있는 Frequency 임을 알 수 있습니다. 그리고 C=QVdd 식을 활용하여 위와 같은 식이 나오게 됩니다. k는 active factor입니다. Device가 ON 되어 있는 시간은 보통 스마트폰이나 전자기기가 동작되는 시간을 의미합니다. 이 단위 시간당 전하량은 전류가 되고, P=VI 식을 이용하면 아래와 같은 식을 구할 수 있습니다.
이 식에서 구한 값이 바로 Device가 ON 상태에서 소모되는 Dynamic Power입니다.
[질문 2] Static Power에 대해서 명하세요.
Static Power는 Device가 Off 상태 일때 소모되는 Power를 의미합니다. Device가 Off 상태라는 것은 완전히 베터리가 분리된 상태를 말하는 것이 아닙니다. 바로 우리가 스마트폰이나 전자기기를 만지지 않는 즉, Device가 동작하지 않는 상태를 말합니다. MOSFET 관점에서 보면 Drain에 Vdd는 인가된 상태에서 언제든지 Gate Voltage를 인가하면 Device가 동작하는 Standby 상태라고 할 수 있습니다. 이 상태에서도 Off Current가 흐르는 것은 모두가 아실 것이라고 생각합니다.
Device가 Off 상태이므로 MOSFET의 Channel은 형성되지 않은 상태입니다. 이는 Gate Voltage가 Vt 이상의 전압이 인가되지 않았음을 의미합니다. Drain 전압은 Vdd에 연결되어 있기 때문에 계속해서 Leakage Current가 흐르는 상태입니다. Device가 점점 미세해지면서 Gate Length가 짧아짐에 따라 여러 Side Effect로 인해, Off Current는 증가하고 있습니다. 그로 인해 소자가 미세해지면서 Static Power가 빠르게 증가하면서 적절한 제어가 요구됩니다.
[질문 3] Vcc, Vdd, Vee, Vss의 차이에 대해서 명하세요.
Vcc, Vdd, Vee, Vss 전압은 원래 Vc, Vd, Ve, Vs의 형태로 사용했습니다. 우리가 흔히 알고 있는 Transistor는 MOSFET 이외에도 BJT (Bipolar Junctio Transistor)가 있습니다. BJT는 Collector, Base, Emitter로 구성되어 있습니다. BJT에 대해서 설명하면 길어지기 때문에 전압에 대해서만 정리하자면, Vcc는 BJT의 Collector Voltage를 의미합니다. Vee는 BJT의 Emitter Voltage를 의미하고, Vdd와 Vss는 MOSFET에서 Drain과 Source Voltage를 나타냅니다. 보통 이러한 전압 표기는 회로도에서 여러 공통 전원 입력단의 전압을 표시하는데 사용됩니다. 그러다가 이 전압 표기는 집적회로 IC에서 쓰이게 됩니다.
TTL 집적회로는 원래 BJT 기술에 근거를 두기 때문에 Vcc/Vee를 사용하고, CMOS 집적회로는 FET 기술에 근거하여 제작되기에 Vdd/Vss를 사용하게 됩니다. 하지만 TTL과 CMOS 논리군이 서로 호환이 가능해지면서 이러한 공통 전원단에 대한 절대적인 구분이 요즘은 없어지고 있습니다. 요즘에는 대부분의 CMOS 집적회로의 Data Sheet에서 Vcc를 + 입력단으로 GND를 -입력단으로 사용하고 있습니다.
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