Transcript 오디오 증폭기의 역할 소리신호

10. 전자공학
전자장치는 전류를 정교한 방식으로 조작하는 기구로서 20세기 초
진공관의 개발과 함께 등장한 이래 눈부신 발전을 이루었다. 또
트렌지스터의 발명은 전자공학에 일대 혁신을 불러 일으켰으며, 이제
현대사회의 거의 모든 면에 침투되어 응용되고 있다. 전자장치의 주목할
만한 성질을 이해하기 위해 다음의 두 장치를 고찰해 볼 것이다.
10.1 오디오 증폭기
10.2 컴퓨터
10-1 오디오 증폭기
오디오 증폭기는 작은 전류를 재생하고 확대하는 전자장치 이다.
라디오, 스테레오, 악기에서 흔히 볼 수 있으며, 소리를 나타내는 작은 전류를
비율에 따라 늘리고, 스피커에 필요한 큰 전력을 공급한다.
10-1 오디오 증폭기
질문: 1. 왜 오디오 증폭기는 작동할 때 전력이 필요한가?
2. 오디오 증폭기의 전력등급이 의미하는 것은 무엇인가?
3. 왜 오디오 증폭기는 작동할 때 따뜻해지는가?
4. 음량조절은 어떻게 하는가?
5. 오디오 증폭기에서 고음과 저음 손잡이가 하는 일은 무엇인가?
실험: 오디오 증폭기를 찾아 냉각구멍을 통하여 그 내부를 들여다 보자.
/ 끝이나 옆이 튀어나온 많은 작은 물체들이 있을 것이다 . 이 중 몇 개를 알고
있는가?
고음과 저음 조절기를 조정하고 소리가 어떻게 변하는 지 들어 보자.
음량 조절기로 똑같이 해보자.
/ 이러한 조절기가 스피커에 전달되는 전류에 무슨 일을 하는지
설명할 수 있는가?
•
오디오 증폭기의 역할
소리신호 (audio signal):
. 소리를 표현하는 전류
. 전형적인 마이크로폰이나 악기에 의해 생성된 소리신호는 약하여,
스피커가 필요로 하는 전류를 가지고 있지 않다.
오디오 증폭기 (audio amplifier):
. 주파수 영역 (20Hz-20,000Hz)의 소리 신호를 증가시키도록 설계된 증폭기
. 증폭기에는 두개의 분리된 회로(입력/출력)가 있다.
. 구성: 전치증폭기, 전력증폭기, 전원공급기, 음량조절기
전치증폭기: 테이프 덱, CD 재생기 마이크로폰 등의 작은 입력신호를
전력증폭기가 사용할 수 있는 수준으로 증가시킨다. 입력
신호에 따라, 전치 증폭 조건이 다르며, 전력증폭기를
보호하는 역할을 한다. 입력회로와 출력회로로 구성
전력증폭기: 비교적 큰 입력신호에서 시작해서, 스피커 시스템으로
전력을 보낼 수있는 매우 강력한 출력 신호를 만든다.
전치증폭기보다는 세밀하지 않고, 보통 훨씬 더 큰 전자
부품들로 만들어진다.
음량조절기: 전치증폭기의 출력전류를 전치증폭기로 되돌리는 부분과,
전력증폭기의 입력으로 보내는 부분으로 나눈다.
전원공급기: 전치 증폭기와 전력 증폭기는 입력회로에서 소모하는
전력보다 더 많은 전력을 출력회로에 공급하는데, 이를 전원
공급기로부터 얻는다.
이해도 확인 1
마이크로폰의 전선 두 개를 바로 스피커의 두 전선에 연결하여
마이크로폰에 대고 말한 목소리가 크게 재생되도록 할 수 없는
이유는 무엇인가?
• 저항기 (resistor)
. 저항기는 두 전선 사이에 전기 불량도체를 갖고 있는 구조를 한다.
. 전류를 운반하는 저항기는 지나는 전류에 비례하는 전압강하를 가져온다. (옴의 법칙)
전압강하=전류 x 저항
. 특정 전압강하에서 저항기의 저항이 클수록 저항기를 흐르는 전류는 더 작아진다.
. 저항기의 전기저항은 저항기를 가로지르는 전압강하를 저항기를 지나는 전류로 나눈
것으로 정의되고, 그 단위는 옴 이다.
. 전류는 저항기를 지나감에 따라 에너지를 소모하여 따뜻해진다. 증폭기가 저항기를
포함하기 때문에 증폭기는 실내로 열을 방출해야만 한다. 저항기는 타지 않고
안전하게 열로 전환할 수 있는 최대 전력에 의하여 등급이 정해진다.
• 축전기 (capacitor)
. 분리된 전하를 저장하는 장치이다.
. 얇은 절연 층으로 분리된 두 개의 도체 판으로 구성되어 있다 .
• 축전기 (capacitor)
. 축전기를 대전 시키는 일반적인 방법 (분리된 전하를 저장하는 방법):
전선을 서로 다른 극의 전원에 연결하여 전하를 각각의 도체 판에 축적한 후, 전원에서 떼어낸다.
이 때 두 도체 판은 서로 다른 극의 전하들로 대전되므로 두 반대 전하 사이에 인력이 작용하여,
분리된 전하를 저장하도록 한다. 축전기 전체는 전기적으로 중성이다.
. 대전된 축전기는 회로에 연결되면, 전지와 같은 작용을 하는데, 양전하를 양극 판에서
회로 속으로 밀어내고, 그 회로에서 나온 양 전하를 축전기의 음극 판으로 모으기
때문이다.
. 축전기가 붙잡아두고 있는 분리된 전하가 많으면 많을 수록 두 판 사이의 전압 차는 커진다.
. 금속판을 크게 하면, 각 판 위에서 전하들은 더욱 퍼지게 되어 서로를 덜 강하게
밀어내고, 금속판들 사이의 절연 층을 얇게 하면 두 금속판 위의 반대 전하들이 더
가까이 움직이게 되어 그 반대의 전하들은 서로를 더 강하게 끌어당긴다. 이러한
것들은 축전기가 분리된 전하들을 더 쉽게 저장하도록 하고, 이 때 금속판 사이의
전압차도 낮춘다.
축전기의 전기용량(Capacitance) = 분리된 전하 량(Q)/ 두 금속판 사이의 전압차(V)
Q=CV
축전기의 전기용량(Capacitance) --- 금속판의 면적/ 금속판 사이의 거리
(F: 페러데이, Coulomb/V)
이해도 확인 3
스테레오는 전력선에서 전력을 얻는데, 전력선은 교류전류가
방향을 바꾸는 순간에는 아무런 전력을 가져오지 않으므로
스테레오의 전원은 에너지를 저장하지 않으면 안 된다. 이 과정을
어떻게 하는가?
• 다이오드
. 전류를 한 방향으로만 흐르게 하는 장치이다.
. 가장 현대적인 다이오드는 실리콘과 같은 반도체로 만들어진 것이다 .
• 금속, 절연체, 그리고 광 전도체
/ 실제 고체 안에서의 전자에 있어서, 원자의 궤도에 해당하는 경로는 띠 (bands)라고 불리
우는 군의 형태의 에너지 준위를 갖는다. 띠 안의 준위들은 유사한 궤도들을 포함 하기
때문에 비슷한 에너지를 가지고 있다. 이 띠들 사이에는 준위가 전혀 존재하지 않는 금지대
(bands gap)라는 에너지 차이가 띠엄 띠엄 존재한다.
/ 띠와 금지대의 에너지 차이로 금속과 절연체, 광 전도체가 구별된다.
/금속: 페르미 준위가 띠의 중간에 존재한다. 띠의 빈 준위가 채워진 준위의 바로 위에 있기
때문에 전자가 채워진 준위에서 빈 준위로 올라가는데, 매우 적은 에너지만 있어도
된다. 양전하를 금속의 왼쪽에 놓고, 음 전하를 오른 쪽에 놓으면 전자는 왼쪽으로
전기력을 받고, 왼쪽으로 움직인다. 전자의 이동에 필요한 에너지는 정전기력에 의해
얻어지고, 전자는 왼쪽으로 빠져나가게 되어 금속은 전기가 통한다. (전도체)
/절연체: 페르미 준위가 띠의 가장 위에 놓여 있고, 그 띠 간격은 매우 크다. 전자를 가득찬
준위( 가전자대) 에서 빈 준위(전도대)로 올리려면, 엄청난 에너지가 필요하며,
정전기력으로는 부족하다. 때문에 절연체에서는 순 전하의 흐름이 생기지 않으며,
전도 성이 없다.
/ 광 전도체: 전자가 필요한 만큼의 어떤 에너지를 공급 받으면 가전자대에서 전도대로 올라
갈 수 있다. 이 에너지의 하나는 빛이다. 절연체가 적당한 에너지(진동수)의 빛을 공급
받으면, 그 빛은 전자를 가전자대에서 전도대로 이동시킬 수 있다. 이 경우 정전기력에
의해 전자의 이동이 가능하다. 이와 같이 빛은 절연체를 전도체로 바꿀 수 있으며, 이를
광 전도체라 한다.
• 다이오드
. 전류를 한 방향으로만 흐르게 하는 장치이다.
. 가장 현대적인 다이오드는 실리콘과 같은 반도체로 만들어진 것이다 .
. 반도체 다이오드는 두 개의 다른 불순물 반도체 (p형, n형)를 붙여서 만든다.
p형 반도체: 원자적 불순물 (In, 최외각 전자가 3개)로 도핑 되어, 부족한 전자를 갖고
있어서 부분적으로 채워진 원자가 띠를 통해 전기를 전도한다.
n형 반도체: 원자적 불순물 (Sb, 최외각 전자가 5개)로 도핑 되어, 여분의 전자를 갖고
있어서 부분적으로 채워진 전도 띠를 통해 전기를 전도한다.
p형 반도체: 부족한 전자를 가지고 있어서, 부분적으로 채워진 원자가 띠를 통해 전기를
전도할 수 있다.
N형 반도체: 여분의 전자를 갖고 있어서 부분적으로 채워진 전도 띠를 통해서 전기를 전도할
수 있다.
(각각의 반도체는 전기적으로는 중성이다.)
/p형, n형 반도체가 맞 닿으면 전도 준위 전자들이 n형 반도체에서 p형 반도체로 흘러서 얇고
전기적으로 분극 된 고갈 영역 (depletion region)을 형성한다.
전기적 분극? n형 반도체는 양전하보다 적은 수의 전자를 갖게 되었기 때문에 순 양전하를
띤고, p형 반도체는 양전하보다 많은 수의 전자를 갖게 되어 순 음전하를 획득한다. 이런
분리된 전하 (분극)에 의해 생기는 정전기력으로 인하여 접합을 가로지르는 더 이상의
전자의 흐름이 멈추게 되며, 평형상태를 이룬다.
/ p-n 접합부의 n형 쪽에 전자를 추가하고 p형 쪽에서 전자를 제거하면, 고갈 영역은
얇아지고, 전류가 접합부를 가로질러 흐를 수 있다.
(순방향 전압을 걸어주면, 전류가 흐른다.)
/ p-n 접합부의 p형 쪽에 전자를 추가하고 n형 쪽에서 전자를 제거하면, 고갈 영역은
넓어지고, 전류가 접합부를 가로질러 흐를 수 없다.
(역방향 전압을 걸어주면, 전류가 흐를 수 없다.)
• 다이오드
. 전류를 한 방향으로만 흐르게 하는 장치이다.
. 가장 현대적인 다이오드는 실리콘과 같은 반도체로 만들어진 것이다 .
. 반도체 다이오드는 두 개의 다른 불순물 반도체 (p형, n형)를 붙여서 만든다.
p형 반도체: 원자적 불순물 (In, 최외각 전자가 3개)로 도핑 되어, 부족한 전자를 갖고
있어서 부분적으로 채워진 원자가 띠를 통해 전기를 전도한다.
n형 반도체: 원자적 불순물 (Sb, 최외각 전자가 5개)로 도핑 되어, 여분의 전자를 갖고
있어서 부분적으로 채워진 전도 띠를 통해 전기를 전도한다.
. p-n 접합: p형, n형 반도체가 맞닿으면 전도준위 전자들이 n형 반도체에서 p형 반도체
로 흘러서 접합부에 얇고, 전기적으로 분극된 고갈 영역을 형성한다.
고갈영역에서는 남아있는 어떤 전도 준위 전자도 없고, 빈 원자가 준위도
없기 때문에 전기를 전도할 수 없고, 전하는 p-n접합을 가로질러 이동하지
못한다.
.p-n접합부의 n형 쪽에 전자를 추가하고 p형 쪽에서 전자를 제거하면, 고갈영역은
얇아지고 전류가 접합부를 가로질러 흐를 수 있다. (순방향 바이어스)
. p-n접합부의 p형 쪽에 전자를 추가하고 n형 쪽에서 전자를 제거하면, 고갈영역은
두꺼워 지고 전류가 접합부를 가로질러 흐를 수 없다. (역방향 바이어스)
p-n 접합은 전류를 한 방향으로만 흐를 수 있게 하는 다이오드이다.
이해도 확인 4
발전소에서 책상 램프를 연결하는 교류 회로에 p-n 접합(다이오드)을
첨가하면 어떤 일이 생기는가?
• 트랜지스터
. 작은 양의 전하가 큰 전류의 흐름을 제어하도록 하는 장치이다.
. 다이오드처럼 트랜지스터도 불순물 반도체로 만들어진다.
. 예: n 채널 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스너
( n-channel Metal-Oxcide-Semiconductor Field Effect Transistor: MOSFET)
• n채널 MOSFET Off
n 채널 MOSFET가 세 n, p,n형 반도체 층으로 형성되면 전도 준위 전자는 중앙 p 형 채널 에 있는
빈 원자가 준위를 채워서 커다란 고갈 영역을 생성하기 때문에 어떤 전류도 채널을 통해 흐를 수
없다. 두 개의 등을 맞댄 p-n 접합과 같음.
• n채널 MOSFET On
매우 얇은 절연 층에의해서 분리된 게이트에 양전하가 놓여 있을 때, 양전하는 전자를 MOSFET
바깥에서 전도 준위로 끌어 당겨 전체구조를 n형 반도체로 바꿔, 채널은 전류를 전도하기
시작한다. 게이트 위의 양전하가 많으면 많을 수록 더 많은 전도 준위 전자들이 채널로 들어가서
더 많은 전류가 흐른다. 트랜지스터는 게이트 위의 양전하가 증가할 때 감소하는 전기저항을
갖는 가변저항기 처럼 행동한다.
• n채널 MOSFET Summary
n 채널이란? 채널이 화학적으로는 p 형일지라도 게이트가 양으로 대전되어 전류를 운반할 때, 채널은
전기적으로 n형처럼 행동을 한다.
MOS (Metal Oxide Semiconductor): 금속 게이트가 얇은 산화 절연층에 의해 반도체 채널에서 분리된 구조.
FET (Field Effect Transistor: 전계 효과 트랜지스터): 게이트 위의 전하에 의한 전기장이 전자를 채널로
끌어 당기고 트랜지스터를 통한 전류의 흐름을 제어한다.
드래인
절연체
게이트
n형 반도체
채널
P형 반도체
금속
n형 반도체
소스
드래인
전자
게이트
전류
소스
이해도 확인 5
n체널 MOSFET의 체널을 넓게 하면 소스와 드래인 사이에 더 많은
전류가 흐르도록 할 수 있다. 그렇지만, 커진 트랜지스터는 그 전류를
제어하기 위해 게이트에 더 많은 양전하를 필요로 하게 된다.
이것을 설명하여라.
• 간단한 오디오 증폭기
한 개의 n 채널 MOSFET, 두 개의 저항기, 두 개의 축전기로 간단한 오디오 증폭기를 만들 수
있다.
• 간단한 오디오 증폭기1
MOSFET의 트랜지스터가 전류를 보내지 않을 때, 어떤 전류도 50옴 저항기를 흐르지 않고,
전압강하를 받지 않기 때문에, A에서의 전압은 9 V 이다.
MOSFET의 트랜지스터가 전류를 보내면, 전류의 양에 따라 전압 강하가 50옴 저항기를
가로질러 나타날 것이고, A에서의 전압은 감소한다.
• 간단한 오디오 증폭기2-1
. A와 n 채널 MOSFET의 게이트를 연결하면, A 에서의
전압이 9V 이므로, 전류는 저항기를 지나서 게이트로 천천히
흐른다.
. 양전하가 게이트 위에 모임에 따라, 트랜지스터는 전류를
보내기 시작하고, A에서의 전압은 떨어진다. 따라서
A에서의 양전하는 게이트로 더 이상 흐르지 않을 때까지
정전기 위치에너지를 잃는다.
• 간단한 오디오 증폭기2-2
. 그 시점에서 증폭기는 A에서 5V에 가까운 전압과
트랜지스터의 게이트 위에 적당한 전하 량을 가진 안정한
상태에 도달하고, 100킬로옴의 저항은 트랜지스터에
되먹임을 제공한다. 트랜지스터가 너무 적은 전류를 보내면,
양전하는 게이트 위로 흘러 전류를 더 많이 보내게 하고,
너무 많은 전류를 보내면, 게이트의 양전하를 줄여, 전류를
덜 보내게 한다.
• 간단한 오디오 증폭기2-2
. 증폭기는 트랜지스터의 게이트 위의 작은 전하의 변화에도
매우 민감하여, 조금의 양전하를 더 하여도 A에서의 전압은
내려가고, 아주 조금의 양전하를 제거해도 A의 전압은
올라간다.
. 증폭기의 입력신호는 게이트 에서의 양전하를
증가시키거나 감소시킨다. 그러면 증폭기의 출력신호가
A에서 나타난다.
• 간단한 오디오 증폭기3
. 입력신호는 게이트에 직접 연결되지 않고, 축전기를
통하여 연결된다.
. 축전기는 트랜지스터 게이트의 전압이 입력 도선 끝의
전압과 다르도록 한다.
. 축전기는 전하를 한 판에서 다른 판으로 흐르게 하지는
않지만 전류에는 반응한다. 양전하가 축전기의 한 쪽
판으로 흐를 때, 이 전하는 축전기의 다른 쪽 판의 음전하를
끌어 당겨서 게이트로부터 음전하를 끌어낸다. 축전기는
전기적으로 중성으로 남아 있지만, 게이트는 더욱 양으로
대전되게 된다. 결국 입력 도선에서 축전기로 흐르는
전하는 똑같은 양의 전하를 축전기에서 게이트로 흐르게
한다.
. 교류가 두 입력도선 사이에서 앞뒤로 흐를 때, 전하는
트랜지스터의 게이트를 드나든다. 결과적으로 A에서의
전압이 오르내리는데 입력 도선의 아주 작은 교류 전류도
A에서는 크게 변하는 전압을 만들어 낸다.
• 간단한 오디오 증폭기4
. 출력신호는 A 에 직접 연결되지 않고 축전기를 통하여
연결된다. 축전기의 한쪽으로 흘러 들어가는 전류는
축전기의 다른 쪽으로 비슷한 전류가 흘러나가게 한다.
이해도 확인 6
마이크를 MOSFET를 기본으로 하는 증폭기의 입력에 연결하면
마이크는 입력도선을 통해 전류를 앞 뒤로 보낸다. 그 결과 전하는
증폭기의 어떤 임계 요소를 드나드는가?
10-2 컴퓨터
질문: 1. 대부분의 컴퓨터는 왜 기계적이기보다는 전자적인가?
2. 전기로 어떻게 수를 표현할 수 있는가?
3. 문자나 단어, 기호 등을 표시하기 위해 어떻게 수가 사용될 수 있는가?
4. 사람들이 프로그램을 작성할 때 컴퓨터를 사용할 경우 새 컴퓨터에 대한
최초의 프로그램은 어떻게 작성되는가?
진법
• 세상에는 10종류의 사람이 있다. (이
글을 이해하는 사람과 이해 못하는
사람…)
• 수 나타내기
. 아날로그 방식: 전하, 전류, 전압, 자기력 등의 물리 량의 값에 수 그 자체를 대응시킨다.
예) -2.313 V를 -2.313
정확도가 물리 량의 값 자체에 의존하기 때문에 전자적 결함이나 잡음 등에 영향 받기 쉽다.
. 디지털 방식: 숫자를 먼저 자리수로 분리하고, 각 자리 수를 어떤 범위의 물리 량에 대응시킨다.
예) 0-2V를 0, 2-10V를 1
물리 량 그 자체가 아주 정확하지 않아도 되기 때문에, 정밀하고 정확하다.
디지털 컴퓨터 안에서 수는 대부분 2진법으로 표시된다.
예) 이진법 1111100(십진법 124)을 축전기를 이용하여 표현하면,
처음 다섯 개의 축전기는 분리된 전하를 갖고 있고 (1), 나머지 둘은 전하를 갖고 있지 않는(0)
걸로 나타낼 수 있다.
이진법이 유용한 이유는 전류를 보내거나 끊는 빠른 전자장치를 만들기는 쉽지만, 십진법이나
아날로그 방식에 필요한 특정한 전류, 전하, 전압을 운반하는 장치를 만들기는 훨씬 어렵기 때문이다.
이해도 확인 1
이진수 100000001은 십진수로 어떤 수인가?
• 수와 정보 저장하기
. 디지털 컴퓨터 안에서 수는 이진법으로 표현되며, 이 진수에 사용되는 수들의 개수로 그 수가 얼마나
큰지를 알 수 있다.
- 비트(bit): 이진수의 각 자릿수. 비트가 많을 수록 큰 수를 나타내고, 컴퓨터는 이
수들을 단어, 소리, 색깔 등에 결합 시킴으로써 비트를 사용하여 정보를 표현할 수 있다.
- 특히, 8비트는 0(즉 00000000)부터 255(즉 11111111)사이의 어떤 수를 나타내며, 흔히 사용 되고
유용하여 별도로 바이트(bytes)라고 부른다.
• 수와 정보 저장하기
. 컴퓨터에 비트 를 저장하는 방법:
예) .RAM (random access memory) 이라고 하는 주기억장치에서 각 비트는 조그만 축전기로서
분리된 전하의 존재의 유,무에 따라 1과 0을 표시한다.
.각 축전기는 작은 n채널 MOSFET의 바로 끝에 장치되어 있다. 이 MOSFET는 축전기로
드나드는 전하의 흐름을 통제하는데, 비트 를 저장하거나 기록할 때 컴퓨터는 게이트에
양전하를 놓아 MOSFET가 전기적으로 전도 성이 있게 한다. 그러면 기억체계가 전하를 비트의
축전기로 이동하게 하거나 빠져 나오게 하면서 비트 를 기록하거나 판독한다.
. 판독과정에서 축전기의 전하가 없어지므로 기억체계는 그 비트를 즉시 다시 저장하여야만
한다.
.대전된 축전기를 이용하여 비트 를 저장하는 기억체계를 동적 메모리(DRAM)라고 한다.
단일 트렌지스터 DRAM 메모리 셀
• 수와 정보 저장하기
. 동적 메모리나 컴퓨터메모리에 쓰이는 축전기와 MOSFET는 얇은 실리콘웨이퍼 표면에
형성되어 집적회로(Integrated Circuit, IC)나 칩을 이룬다.
(8M bytes의 경우, 최소한 6천4백만 개의 축전기와 MOSFET로 구성된다. )
.축전기는 그 주변이 완전한 절연체가 아니기 때문에, 분리 전하가 새어나가 이들을 영원히
가지고 있을 수는 없다. 동적 메모리의 경우, 1초에 수 백 번씩 읽거나 다시 저장하면서 리프레쉬
하지 않으면 안 된다.
. 동적 메모리는 저렴한 반면, 비트를 저장하고 검색하는 데에 걸리는 시간이 비교적 길어 이
것만을 장착한 컴퓨터는 상당히 느리게 작동한다. 이 때문에 컴퓨터는 비용이 다소 들더라도
비트를 다른 방법으로 저장하고 검색하는 정적메모리 도 같이 사용한다.
. 동적 메모리에 있는 수 들보다 훨씬 덜 자주 필요로 하거나, 컴퓨터가 꺼졌을 때 조차 지워지지
않을 필요가 있는 수들은 보통 자기적으로 저장된다.
동적 메모리 모듈
집적회로
이해도 확인 2
매1천분의 몇 초 동안 컴퓨터는 잠깐 정지하여 동적 메모리의 모든
비트를 읽고 다시 쓴다. 왜 그런지 설명하여라
• 수나 정보 처리하기
. 논리요소: 비트로 표시된 수나 정보를 컴퓨터가 처리 할 때, 비트의 그룹을 입력으로 받아들이고,
새로운 비트의 그룹을 출력으로 내보내는 전자장치에 의해 실행된다. 이 때 출력비트들은
엄격히 정의된 논리 규칙에 의해 입력 비트들과 관계되며, 이러한 장치를 논리요소라 한다.
. 반전장치 : 한 입력 비트의 역으로 된 출력 비트 하나를 생성한다.
음전하(0)가 CMOS 반전장치에 도달하면, 그 p 채널 MOSFET는 양전하(1)가 출력으로
흐르게 하고, 양전하(1)가 입력에 도달하면 n 채널 MOSFET는 음전하(0)가 출력으로
흐르게 한다.
(n채널과 p채널 MOSFET는 서로 정확히 상호 보완관계에 있기 때문에, 결합시켜 사용하는
회로를 상보적 MOS(complementary-MOS)라고 하며, 전력소모가 거의 없다.)
CMOS 반전장치
입력에 음전하가 도달하면 p채널에서 양전하 발생
• CMOS NAND 게이트
. CMOS NAND게이트 의 입력은 비트가 두 개다. 음전하(0)가 둘 중의 어느 한 입력에 도달하면,
일련의 n채널 MOSFET는 전류를 전도하지 않고, 두 p 채널 MOSFET중의 하나는 양전하(1)가
출력에 도달하도록 한다. 두 입력이 모두 양(1)으로 대전 된 때만 음전하(0)가 출력된다.
• 플립플롭(flip-flop)
. 플립 플롭은 2개의 서로 다른 안정한 상태를 갖는 디지털회로이다.
. 플립 플롭은 입력 펄스가 플립 플롭을 자신의 또 다른 안정 상태로 스위칭 할 때까지 두 개의 안정
상태 가운데 하나를 계속 유지하도록 하는 회로의 능력을 제공한다.
. 플립 플롭은 2진수의 정보를 저장하는데 사용된다. ( 정적 메모리)
. 정적 메모리의 각 비트는 플립 플롭 하나를 사용한다.
. 플립 플롭은 그 비트를 대단히 빠르게 저장하고, 또 그 것을 다시 쓸 필요도 없이 검색하므로
정적메모리는 동적메모리 보다 훨씬 빠르다.
. 각 플립 플롭은 트랜지스터 8개를 필요로 하므로 동적 메모리보다 비용이 많이 든다.
두 NAND 게이트로 구성된 플립플롭
• 두 NAND 게이트로 구성된 플립플롭
. 정상적으로 양의 전하(1)를 받는 두 개의 입력과 정상적으로 반대전하- 하나는 양(1), 다른 하나는
음(0)-를 방출하는 두 개의 출력으로 구성되어 있다. (정적메모리)
. 일시적으로 음의 전하 (0)를 입력 중의 하나에 전달함으로써 플립 플롭의 상태를 만든다.
- 음전하 (0)에 결합된 출력은 양(1)으로, 다른 출력은 음 (0)으로 대전된다 (기록). 플립 플롭은 그의
다른 입력에 음의 전하를 일시적으로 전달 (재기록)할 때까지 이런 상태로 있게된다 (정적메모리).
. 플립 플롭은 그 비트를 대단히 빠르게 저장하고, 또 그 것을 다시 쓸 필요도 없이 검색하므로
정적메모리는 동적메모리 보다 훨씬 빠르다.
. 각 플립 플롭은 트랜지스터 8개를 필요로 하므로 동적 메모리보다 비용이 많이 든다.
두 NAND 게이트로 구성된 플립플롭
NAND 게이트
이해도 확인 3
어떻게 하면 반전장치와 NAND 게이트를 가지고 두 입력이 모두 1일
때만 출력이 1이 되는 두 개의 입력과 한 개의 출력을 가진 논리 요소인
AND게이트를 만들 수 있는가?
• 컴퓨터 속도의 한계
. 컴퓨터는 매우 빠르게 계산을 수행한다.
: 간단한 NAND게이트는 약 십억 분의 1초(1ns)에 작용한다.
: 이 시간은 MOSFET 트렌지스터가 전류를 흐르게 하기 시작하거나 끊는 데, 또 출력 쪽의 전하가
정상값에 도달하는 데 걸리는 시간이다.
: 과학자나 공학자들이 MOSFET의 성능을 계속 개선하고 있기 때문에 CMOS 논리 요소들의 수행
속도는 매년 더 빨라지고 있다.
. 하전 입자들은 빛 보다 훨씬 느리게 (운반자의 평균속도: v=eEt/m) 진행함에도 신호는 거의 광속에
가까운 속도로 한 요소에서 다른 요소로 이동이 가능하다?
전하가 도선에 들어오면 전기장이 이미 그 앞에 있는 유사 전하를 밀기 때문이다.
(정원에 흐르는 물이 꽉 차 있을 때 수돗물을 틀면 새로이 들어오는 물이 호스 끝까지 오기 전에 물의
압력이 증가하여 물을 틀자마자 음속이상으로 물이 튀어나오는 것과 유사하다.)
. 광속 (약 300,000,000 m/s)으로 1ns에 갈 수 있는 거리: 약 30cm
: 전체 컴퓨터를 하나의 동전 트기 만한 집적회로 위에 올려 놓으면, 논리 요소들이 서로 가까워져
신호가 대단히 빠르게 교환된다.
• 컴퓨터 속도의 한계
.컴퓨터의 계산속도를 느리게 하는 중요한 요인:
논리요소들이 자신의 출력을 1에서 0으로 바꿀 때마다 자신의 출력 도선 위의 전하를 바꿔야만 한다.
도선이 길고 넓다면 도선은 그 위에 꽤 많은 양의 옛 전하를 가지고 있을 것이다. 이런 옛 전하를
제거하고 그 것을 새 전하로 바꾸려면, 딱 그 만큼의 전류가 논리요소의 작은 MOSFET를 통하여
흐르게 되기 때문에 시간이 걸릴 것이다. (실질적인 전하의 이동도와 관련됨)
도선을 가능한 한 얇고 짧게 만들거나 그 밖의 전기용량을 줄이면 컴퓨터의 작동속도는 빠르게 된다.
이해도 확인 4
논리 요소들 사이의 전선의 폭을 절반으로 하면 컴퓨터의 속도가
대략 2배로 됨을 설명하여라?
HW
– 고압선 위의 새가 감전될 상황
– 전자제품의 합선 방지
– 전류가 흐르는 두 도선이 어떻게 되나(평행
도선)
– 도청