PSpice 기본 해석 4가지: Bias Point, DC Sweep, Transient, AC Sweep

PSpice 실험의 설정과 결과를 손계산과 맞춰 보고, 자주 막히는 설정을 정리합니다.

PSpice 실험은 앞으로 모든 실험에서 쓸 네 가지 해석을 한 번씩 돌려 보는 시간입니다. 이 글은 보고서의 시뮬레이션 결과를 손계산과 맞춰 보며 각 해석이 무엇을 계산하는지, 어디서 실수하는지 정리합니다. 회로도는 다시 그렸고, 그래프는 같은 회로를 공식으로 계산한 것입니다.

이 글의 순서 6

1. 실험 목적
2. Bias Point: 손계산과 맞춰 보기
3. DC Sweep: 전원을 바꾸며 BJT 보기
4. Transient: 시간 파형
5. AC Sweep: 주파수 응답
6. 흔한 실수

1. 실험 목적

해석	이 실험의 설정
Bias Point	기본 설정, 바이어스 전압·전류 표시 켬
DC Sweep	`V_VCC` 0 → 6 V, 온도 0, 27, 80 °C
Transient	Run to Time 3 ms, VSIN 5 V 1 kHz
AC Sweep	10 Hz → 100 MHz, 로그, C 파라미터 스윕

해석	결과를 보는 곳
Bias Point	회로도 위 숫자
DC Sweep	IC(Q1)
Transient	V(R1:1), V(R1:2)
AC Sweep	V(R1:2), DB(V(R1:2))

Bias Point: 직류 동작점(마디 전압, 가지 전류)을 구합니다.
DC Sweep: 직류 전원 하나를 일정 간격으로 바꾸며 동작점을 반복해서 구합니다. 다른 변수(여기서는 온도)를 겹쳐 돌릴 수 있습니다.
Transient: 시간에 따른 파형을 구합니다. 오실로스코프에 해당합니다.
AC Sweep: 작은 신호에 대한 주파수 응답(이득, 위상)을 구합니다.

2. Bias Point: 손계산과 맞춰 보기

Bias Point 해석 회로. A, B는 아래 표의 마디 이름입니다.

I = (V1)/(R₁ + (R₂ ‖ R₃) + R₄)직렬 전체 전류

V_A = V1 − I·R₁, V_B = I·R₄마디 전압

R2와 R3의 병렬은 10 kΩ이라 전체 저항은 40 kΩ입니다. PSpice가 회로도 위에 표시한 값과 손계산은 표시된 자릿수까지 모두 같습니다.

값	손계산	PSpice
V1 위쪽 마디	10 V	10.00 V
마디 A	7.5 V	7.500 V
마디 B	5 V	5.000 V
R1 전류	250 µA	250.0 µA
R2 전류	125 µA	125.0 µA
R3 전류	125 µA	125.0 µA
R4 전류	250 µA	250.0 µA

회로도에 접지(이름 0)가 없으면 "floating node" 오류가 납니다. 마디 전압은 모두 접지 기준입니다.
전류 표시는 부품 핀으로 들어가는 방향이 +입니다. 방향을 착각하면 부호가 반대로 보입니다.
값 접미사 M은 밀리(10⁻³)입니다. 1 MΩ은 1MEG로 적어야 합니다. 1M으로 적으면 1 mΩ이 되어 결과가 엉뚱해집니다.

3. DC Sweep: 전원을 바꾸며 BJT 보기

보고서의 DC Sweep은 V_VCC를 0 V에서 6 V까지 바꾸며 트랜지스터 컬렉터 전류 IC(Q1)를 그렸고, 온도를 0, 27, 80 °C로 바꿔 세 곡선을 겹쳤습니다. 결과에서 읽을 점은 두 가지입니다.

낮은 V_CC에서는 세 곡선이 겹친다: 약 0.5 V 아래에서는 트랜지스터가 포화 영역에 있어 전류가 트랜지스터 바깥 회로(V_CC와 컬렉터 쪽 저항)로 정해집니다. 그래서 온도와 거의 상관없이 V_CC를 따라 올라갑니다.
평탄한 구간은 온도가 높을수록 높다: 활성 영역에서는 전류가 I_B와 β로 정해지는데, 온도가 오르면 V_BE가 1 °C당 약 2 mV 줄어 I_B가 늘고 β도 커집니다. 곡선이 0, 27, 80 °C 순으로 위에 놓이는 이유입니다. 평탄 구간이 조금씩 오르는 것은 얼리 효과입니다.

온도에 따라 동작점이 움직이는 문제와 그 대책(이미터 저항)은 β 가이드와 BJT 바이어스 가이드에서 숫자로 다룹니다. 온도를 겹쳐 돌릴 때는 DC Sweep의 Secondary Sweep(또는 Parametric Sweep)에서 Temperature를 고르고, 아무것도 정하지 않으면 PSpice는 27 °C로 계산합니다.

4. Transient: 시간 파형

Transient·AC Sweep 해석 회로. R1 = 100 Ω은 보고서의 차단주파수와 C 값에서 거꾸로 구한 값입니다.

f_c = (1)/(2πRC)차단주파수

(V_out)/(V_in) = (1)/(√1 + ((f)/(f_c))²), φ = −tan^(⁻¹)((f)/(f_c))진폭비와 위상

Δt = (φ)/(360°)·T위상을 시간 지연으로

Run to Time이 3 ms이고 입력이 1 kHz이므로 화면에는 3주기가 나옵니다. 보고서 그래프에서 입력과 출력이 겹쳐 보였던 이유는 아래 계산으로 설명됩니다. 입력 주파수가 차단주파수의 0.63%밖에 안 되기 때문입니다.

값	계산
차단주파수 f_c	159.2 kHz
주파수 비 f ÷ f_c	0.00628
진폭비	0.99998
출력 진폭	4.9999 V
위상	−0.36°
시간 지연	1 µs
화면 주기 수	3

1 kHz: 두 파형이 겹칩니다

159 kHz(계산): 0.707배, 45° 늦음

출력이 0.10 mV 작고 1 µs 늦을 뿐이라, 3 ms 폭 그래프에서는 구별할 수 없습니다. 차이를 보려면 출력에서 입력을 뺀 V(R1:1) − V(R1:2)를 그리거나, 입력 주파수를 차단주파수 근처로 올려 봅니다.
Maximum Step Size를 비워 두면 PSpice가 큰 간격으로 계산해 정현파가 꺾은선처럼 보일 수 있습니다. 한 주기의 100분의 1 이하로 정하세요. 보고서 화면의 시간 간격은 3 µs로, 1 kHz 한 주기에 약 333점이었습니다.
Transient에서는 VSIN의 VAMPL·FREQ가 쓰이고, AC 속성은 무시됩니다.

5. AC Sweep: 주파수 응답

같은 RC 회로에서 C를 10 nF, 100 nF, 1 µF로 바꾸며(Parametric Sweep) 10 Hz~100 MHz를 로그 간격으로 훑었습니다. 전원의 AC 크기를 1 V로 두면 출력 전압이 곧 이득이 되고, DB()로 그리면 바로 dB 이득입니다.

R1 = 100 Ω일 때 이득 (계산, PSpice 결과와 같은 모양)

C	f_c	f_c에서
10 nF	159 kHz	−3.01 dB
100 nF	15.9 kHz	−3.01 dB
1 µF	1.59 kHz	−3.01 dB

C	10 f_c에서	100 MHz에서
10 nF	−20.0 dB	−56.0 dB
100 nF	−20.0 dB	−76.0 dB
1 µF	−20.0 dB	−96.0 dB

C가 10배면 차단주파수는 10분의 1: 곡선이 10배씩 같은 간격으로 옆으로 옮겨 갑니다. 보고서 그래프에서 1 µF가 가장 왼쪽, 10 nF가 가장 오른쪽에 있는 이유입니다.
차단주파수 위에서는 −20 dB/decade: 10 f_c에서 약 −20 dB, 100 f_c에서 약 −40 dB입니다. 그래프에서 기울기를 재면 1차 필터인지 바로 확인할 수 있습니다.
−3 dB 점은 커서로 읽는다: 선형 눈금 그래프에서는 0.707 V, dB 그래프에서는 −3 dB가 되는 주파수를 커서(Probe의 Cursor 기능)로 읽어 공식 값과 비교합니다.
AC Sweep은 회로를 선형으로 보고 계산하므로 출력 크기가 입력 크기에 비례할 뿐, 실제로 찌그러지거나 잘리는 일은 나오지 않습니다. 크기와 찌그러짐은 Transient로 봐야 합니다.

직접 해 보기: RC 회로를 Transient와 AC Sweep으로

위 RC 저역통과 회로(R1, C1, VSIN 5 V)를 두 가지 해석으로 돌려 봅니다. 처음 값은 이 실험의 설정입니다. 실제 PSpice와 달리, 계산 점은 Maximum Step Size 간격으로만 찍는다고 단순화했습니다.

Run to Time Maximum Step Size

R1100 Ω C110 nF VSIN 주파수1 kHz

차단주파수 f_c: 159 kHz
f ÷ f_c: 0.00628
이득: −0.000171 dB
위상: −0.36°
시간 지연: 1 µs
화면 주기 수 (Transient): 3
주기당 계산 점 (Transient): 333

해 볼 것: Maximum Step Size를 비워 두고 Run to Time을 30 ms로 늘리면 정현파가 꺾은선이 됩니다. 주파수를 f_c 가까이 올리면 출력이 줄고 늦어지며, 처음 몇 τ 동안 커패시터가 0 V에서 출발하는 모습도 보입니다. AC Sweep에서 C1을 10배로 바꾸면 곡선이 10배 왼쪽으로 옮겨 가고, Points/Decade를 줄이면 곡선이 꺾여 보입니다.

6. 흔한 실수

AC Sweep 결과가 0으로 나온다: 전원의 AC 속성(AC 크기)을 비워 두었기 때문입니다. VSIN을 쓰면 VAMPL과 별도로 AC = 1을 넣거나, VAC 전원을 씁니다.
파라미터 스윕이 안 된다: 부품 값에 중괄호를 써서 {C_var}로 적고, PARAM 부품에 C_var와 기본값을 등록해야 합니다.
Transient 그래프가 꺾은선이다: Maximum Step Size를 정하지 않았습니다.
Run to Time을 너무 짧게 잡아 한 주기도 안 보인다: 주기 수 × 주기로 정합니다.
시뮬레이션 값과 실험값이 다르다고 시뮬레이션이 틀린 것은 아닙니다. 모델과 실제 부품의 차이, 측정 장비의 영향을 따로 따져 봅니다.

차단주파수와 시정수는 RC 필터 계산기, 병렬 합성 저항은 직렬·병렬 계산기, 트랜지스터 동작점은 BJT 바이어스 계산기로 확인할 수 있습니다. PSpice 결과를 실측값과 비교하는 표와 그래프는 실험 데이터 분석기로 만들 수 있습니다.