[4호]왕초보 전자회로 강좌특집 4부 – 1

왕초보 전자회로 강좌특집 4부 – 1 글 |스네일앤 스네이크 ※ 상기 내용은 디바이스마트와 스네일앤 스네이크의 협의를 통하여 사용을 득한 내용입니다.

로직회로는 전자회로 공략의 베이스 캠프

▶ 회로설명 (circuit description)
대학(大學)에서 특정한 학문(學問)에 입문(入門)하면 처음 단계로 개론(槪論) 즉 총론(總論)을 배우는 데서 시작됩니다. 개론의 사전적 의미는 “내용을 대강 간추리어 논설함”으로 배우고자 하는 과목의 전체과 구성, 시작에서 현재까지의 흐름을 공간(空間)과 시간(時間)이라는 두 가지 관점에서 정리하여 일목요연하게 보여주는 역할을 맡고 있습니다.
그러므로 우리가 어떤 과목의 개론을 배우고 나면, 그 과목에 대한 (전체적인) 감을 잡을 수 있는 것입니다. 개론을 훑고 난 다음 단계는(전체적인 시각에서) 필요한 각론을 선택하고, 좀 더 상세히 배워나가는 순서로 진행됩니다. 개론을 섭렵하고 나면 새로운 과목에 대한 흥미가 솟아나거나 혹은 (내가 원하는 것이 아니라는 것을 알게 되므로) 흥미가 반감되는 것이 일반적입니다. 어쨌거나 결과적으로는 마음이 편안해지는 느낌을 받게 됩니다.
이를 역으로 생각해보면 공부하면서 어쩐지 마음이 불안하다면, 대개의 경우 자신의 현재 위치를 다시 확인해 볼 필요가 있다는 의미로 해석됩니다.

 ▶ 회로도 (The circuit diagram) : 전자회로 발전도(發展圖)로 분석한 회로공략(攻略) 포인트

▶ 회로동작 설명 (circuit operation)
그림_”전자회로 발전도로 분석한 회로공략 포인트 회로도”에 전자회로의 중요 기술들을 발전 시간순으로 나열하였습니다. (좌측의 “진공관 회로”는 현재 오디오 앰프에만 일부 사용) 현 시점에서 전자회로의 전체적인 블럭도를 보는 이유는 우리의 현재위치를 파악하고 분석해서, 다음에 나아갈 방향과 목표을 파악하자는 뜻입니다.
블럭도에 의하면 현재 우리의 “초보 전자회로 모음” 강좌는 “논리회로”의 초입에 위치하고 있습니다. 비록 “트랜지스터 회로” 블록에 해당하는 Tr과 FET라는 개별소자를 많이 다루지는 않았지만, “왕 초보 전자회로”와 “재미있고 유용한 555 응용회로” 로도 (논의하는 정도로는) 충분하다고 판단됩니다.

자! 그림의 블럭도에서 가운데에 위치한 “논리회로” 블럭에 주목해 봅시다. 논리회로란 TTL이나 CMOS 패밀리와 같은 Logic IC를 주축으로 하여 구성된 회로를 말합니다. 논리회로는 마이컴이 보편화 되기 전인 1970년대에 전성기를 누렸습니다. 보통 10여개에서 수십개의 트랜지스터나 FET가 하나의 칩에 집적된 Logic IC는 100가지가 넘는 서로다른 종류의 IC가 모여 하나의 패밀리를 구성합니다. 패밀리에 포함된 하나하나의 Logic IC는 마치 다른 모양을 한 벽돌과 같아, 단순히 조립하는 것만으로도 크고 멋있는 건물 즉 복잡하고 다양한 (기능의) 회로를 용이하게 만들 수 있다는 장점이 있습니다.

그러나 마이컴과 마이크로 콘트롤러가 보편화되면서 Logic IC의 용도는 (소프트웨어 파워에 밀려나서) 마이컴 주변의 인터페이스 회로에 사용되는 정도로까지 축소 되었습니다. 그렇다면 이제 논리회로는 역사의 장막 뒤로 사라져 버린 것일까요? 사실은 그렇게 단순하게만 정의할 수 없다는데 문제가 있습니다. 왜냐하면 비록 Logic IC 자체는 마이컴에 밀려 났지만, 마이컴 IC의 전기적 규격은 Logic IC에 그대로 승계되고 있기 때문입니다. 마이컴의 본질이 소프트웨어로 변화될 수 있는 Logic IC이기 때문에, 마이컴 내부의 하드웨어는 Logic IC로 설계되어 있습니다.
마치 Logic IC가 마이컴 내에 흡수되어 버린 형국입니다.

Logic IC 설계 개념을 보면 “어떻게 디지털 회로는 고속으로 안정하게 동작할 수 있는가?”라는 질문의 답을 얻을 수 있습니다. 이 개념은 너무나 중요하기에 다음 페이지에서 자세히 설명할 예정입니다.

전자회로는 Tr, FET와 같이 (전압/전류) 증폭기능이 있는 능동소자와, 능동소자를 보조하는 Diode 및 R, L, C와 같은 수동소자로 나누어집니다. 전자회로에서 능동소자의 역할과 기능이 중요하다는 점은 너무도 명백합니다. 그러나 트랜지스터(Tr)나 FET와 같은 개별(능동)소자는 너무나도 기본적인 기능만 가지고 있으므로 개별소자만으로 뭔가 의미있는 회로를 만들기에는 힘이 부칩니다. (너무 복잡해집니다)

비록 전자회로를 처음 배우는 입장에서 보면 먼저 구입한 여러 부품 중에서 필요한 부품을 구분하고, 회로도의 심볼 을 읽어내서 부품간의 연결과 결합을 파악할 필요가 있습니다. 그러나 이 초보단계는 금방 지나갑니다. 회로도를 읽어낼 수가 있게되면 다음에는 의미있는 회로를 만들고 싶어지고, 이 단계에서는 마이컴이나 Logic IC등 여러종류의 IC를 사용해야 목적을 달성할 수 있게 됩니다.

지금까지 설명한 개요와 자료를 바탕으로 이제 중요한 질문을 던질 시점이 되었습니다. 앞에서 전자회로를 공부하는 전략에 대해 언급했습니다만, 그림의 블럭도와 같이 방대하고 복잡한 전자회로의 계보를 보면서 도대체 어디서부터 어떻게 접근해야 좋은지 궁금해지지 않는다면 이상하지 않겠습니까?
그냥 취미니까 되는데로 공부해봐요? 그러다 아님 말고요???
→ 말도 안됩니다. 반드시 우선순위를 따져서 체계적으로 접근해야 합니다. 물론 정답은 없습니다. 논리와 취향이 있을 뿐이지요.
만일 정해야 한다면 이제 당신은 분명히 선택의 기로에 서 있는 것입니다. (전부 한번씩 해 보겠다는 생각에는 절대 찬성할 수 없습니다. 하나 하기도 벅찹니다. 하나를 신중히 골라서 꾸준히 노력해야 합니다)

▶ 선택한 전략의 해설
전략 1 해설  : 철저한 것은 좋으나 너무 발이 늦다. 대학교 방식이다. 권하기 힘듦.
전략 2 해설  : (직업적인) 전문가 방식이다. 세상은 “서버 + 클라이언트 + 네트워크” 방식을 기반으로 진화하고 있다. (전공이 아니라면) 스스로 고립되고, 시야가 좁아지는 방식을 채택할 필요는 없지 않을까? 실제로는 많은 사람들이 (자기도 모르게) 채택하는 방법이다.
왜냐하면 대학에서 강의하고 교재도 많기 때문에 원리적으로는 모든 것을 할 수 있다. 그러나 고생에 비해, 막상 (독립적으로) 해 볼 수 있는 일은 너무나 적어 실망하기 일쑤이다. 가장 큰 문제점은 PC 환경에서 멀어지는 것이다.
전략 3 해설 : : 약간 생소하고, 일견 산만해 보이지만, 실은 가장 활용도가 넓은 방법이다. ① 우선 강력한 PC 환경을 이용하므로, 빠른 시간내에 결과를 얻어내서 분석하고, 다시 개선시키기 용이하다.
② 디지털 환경의 핵심인 로직과 인터페이스 회로를 깊이 공부할 수 있어 활용범위가 넓다.
③ 지대한 노력이 필요한 마이컴을 비교적 쉽게 이해할 수 있다. (마이컴은 로직회로를 기본으로 소프트웨어 동작하기 때문 )
④ 네트워크의 기본인 통신기술을 중시하고 있다. (통신기술이 바로 미래기술의 핵(核)임을 명심해야 한다.) 무엇보다도 (기술 전반에 대한) 전체적인 시야를 확보할 수 있다는 점이 가장 큰 매력이다.
전략 4 해설 : PC를 중심에 놓는다는 점에서 전략 3과 같다. (고급 과제를 수행하는) 대학과 연구소에서 채택하는 방법이다.
단점은 돈이 많이 든다. 메뉴얼을 소화하는 것도 만만치 않다. 왜냐하면 전자회로와 디지털 하드웨어의 기본이 반드시 필요하기 때문이다. 사실은 대학에서 전자를 전공한 사람들이 취업해서 주로 당면하는 과제이다.
전략 5 해설 : 소극적이고, 어설픈 것 같지만 실제로 많은 사람들이 선택한 방법이다. 데이터베이스 프로그래밍, 서버 프로그래밍, 게임 프로그래밍을 생각해보라. 실제로 대학의 전산과 사람들이 많다.

결론적으로 필자는 (개인적으로) “전략 3″을 선호합니다.

즉 Logic 회로와 Tr의 기초적 동작 및 유용한 인터페이스 회로를 먼저 착실히 공부해 두는 것입니다. 이런 이유로 “초보 전자회로 모음” 강의도 두번째 테마로 “기초 로직회로”를 설명하고, 다음으로 “디지털 인터페이스 회로”를 선택하였습니다.
이 단계에서는 Tr의 기초동작과 Logic IC, Tr, 포토 커플러를 포함한
실제 인터페이스 회로를 설명할 예정입니다.
이러한 준비작업들이 끝나면 데이터 로거(Data Logger)를 사용한 인터페이스를 실험해 볼 단계에 도달합니다. 데이터 로거는 PC와 (RS232C)통신으로 연결된 마이컴으로 사용하기 간편하면서도 재미있는 기능을 보여 줄 것입니다. 이 단계까지 오면 회로도 판독에서 PC를 이용한 실험장치 준비까지의 모든 과정이 마무리됩니다.
이제 비로소 실제 흥미있는 과제를 해결하는 응용 단계로 들어갈 수 있습니다. 드디어 메인 소프트웨어인 PC 프로그래밍과 센서(sensor)의 사용법이 중요해지는 단계가 됩니다.

▶ 프로그램에 익숙한 분들을 위하여
Logic IC와 마이컴의 관계를 Visual C++, Visual basic과 Turbo C, qbasic에 비유하여 말씀드리겠습니다. 아시다시피 윈도환경의 Visual C++, Visual basic을 공부하다 보면 막상 basic과 C, C++ 언어에 대한 언급은 거의 없다는 것을 깨닫게 됩니다. 이런 형편이므로 초심자가 비쥬얼 책만을 아무리 달달 공부한다 해도 나중에 남는 것은 별로 없습니다. (자신도 붙지 않구요.) 경험있는 선배라면 먼저 컴퓨터 언어(Language)를 공부하라고 진심으로 조언할 것입니다.
마이컴도 마찬가지입니다. 근본이 되는 Logic과 Tr 동작을 모르고 덤벼들면 수 많은 마이컴 명령어나 외우다가 끝이 납니다.
인터페이스 회로도 같습니다. 실험실에서 비싼 PC용 인터페이스 보드가 손에 들어와도 활용하기 망설여지기는 마찬가지입니다. 공부를 해도, 메뉴얼에 따라온 “회로도”도 이해하기 힘든 수준이 이어집니다. 그러니 인터페이스 보드에 센서나 외부장비를 연결하기가 겁나는 것도 당연합니다.
즉 “프로그래밍이라면 어떻게 해 보겠는데, 하드웨어는 아무리 설명을 들어도 통 모르겠어” 라고 말하게 되고 맙니다. 이유는 간단합니다.
한 단계 아래에 깔려있는 기술 이해가 부족하기 때문입니다.

로직회로의 핵심, 마법의 갈고리

▶ 회로설명 (circuit description)
크고 웅장한 건축물은 언제나 우리의 시선을 끌고, 마음을 감동시킵니다. 그 중에서도 10~14세기 중세에 세워진 사원이나 교회, 왕궁처럼 돌로 쌓아올린 거대한 구조물들은 “경이”라는 감정을 넘어선, 엄숙함과 섬뜩함까지 느끼게 하는 존재입니다.
역사와 인간에 대한 교육의 혜택으로, “왜 저렇게 큰 구조물을 만들 필요가 있었는가?” 라는 질문에 대한 해답은 어렴풋이 짐작할 수 있지만 ” 어떻게 저렇게 수 많은 돌들이 현재까지 자기위치를 고수하고 있는지” 그저 감탄할 따름입니다.
고등학교 물리시간에서, 빗면 위에서 나타나는 힘의 분산에 대한 응용 예로 “쐐기” 모양에 대해 기억하시는지요?
중세의 거대 건축물의 회랑과 창문, 거대한 둥근 형태의 천장을 지탱하는 비밀이 평범한 쐐기모양 돌의 형태에서 비롯된다는 점을 알고 계시는지요? 마찬가지로 교묘한 응용 사례들의 뒤편에서 미소짓고 있는, 한 두가지 핵심원리의 존재와 위력을 잠시라도 (가슴 깊이) 공감해 보신 적이 있으신지요.

▶ 회로도 (The circuit diagram) : 로직회로의 핵심, 마법의 갈고리 (Magic Hook)

▶ 회로동작 설명 (circuit operation)
회로도_”로직회로의 핵심, 마법의 갈고리”그림 속에 나타난 중세 건축물의 장엄한 자태를 보면, 거대한 곡선을 이루는 아치(Arch), 둥근 돔(Dom), 아치가 교차하고 있는 볼트(Vault)의 역할이 절대적입니다.
오늘날 건축물 뼈대의 소재로 견고하고 단단한 철을 사용하고 있는 것에 반해서, 중세에는 무거운 소재인 돌을 사용하였으므로 (건물내의) 공간을 확보하기가 그 만큼 어려웠을 것으로 짐작됩니다.

생각해 보십시요. 겉보기에 거대하지만, 아파트 지하주차장 같이 빽빽한 기둥숲이 건물내부에 자리잡고 있다면 후원자나 방문자에게 큰 감명을 주기는 어려울 것입니다. (외관의 크기만이 중요하다면, 차라리 동산을 쌓고, 속을 파서 사용하면 쉬울 것입니다) 그렇다면 당면한 문제는 (건물 속에) 가능한한 넓은 공간을 확보하는 것입니다. 그리고 공간을 확보하자면 결국 기둥과 기둥 사이가 멀리 떨어져야 합니다. 문제는 어떤 방법으로 이 사이가 먼 기둥위에 지붕을 얹는단 말입니까? 그것도 돌을 사용해서…
답은 아래 그림에 있는 아치형태 입니다. ①과 같이 떨어져 있는 두 지점 사이를 직선으로 연결하면, 중력에 의해 소재가 아래로 힘을 받습니다.
그 결과 소재가 나무라면 휘어져 버릴 것이고, 단단한 돌이라면 부러져 버리게 됩니다. (악어는 행복) 그러나 ②처럼 (작은 쐬기모양의 조각돌을 서로 잇대어) 아치를 만든다면, 중력이 좌우로 분산되어 (스스로 지탱되는) 튼튼한 구조물을 만들 수 있습니다. (악어는 불행) ③의 그림에 빗면에 의한 힘의 분산이 화살표로 표시되어 있습니다.
인류가 아치(Arch) 형태를 이해하고 자유자재로 활용함에 따라, 비로소 돌을 사용하고도 텅 빈 공간을 가진 거대한 건축물의 축조가 가능해 졌습니다. 아치 형태의 이해는, 지식의 중요성을 웅변적으로 보여줄 뿐 아니라 사람을 매혹시키는 위대한 기술의 토대는, (마법과도 같이) 단순하고 명확한 기본원리로 구축되어 있음을 알려주는 생생한 사례입니다.

※ 아치(Arch) 형태를 회전하면 돔(Dom) 모양이 되고, 몇 방향에서 교차시키면 볼트(Vault) 구조가 됩니다. 즉 아치(Arch) 형태가 기본입니다.
그렇다면 논리회로에서 건축의 아치(Arch)에 해당하는 철학이란 무엇일까요? 아니 논리회로에서도 과연 이와 같이 위대한 기술이 필요하기나 한 것일까요? 답하기가 쉽지 않습니다.

자! 그렇다면 먼저 논리회로란 무엇인지 생각해 봅시다.

논리회로는 인간이란 동물이 만들어 낸 희안하고도 또 희안한 물건으로한 마디로 요약하면, 전기로 작동되는 일종의 기계입니다. 그러나 이 특이한 기계는, 마법의 기계로 한 치의 오차도 없고, 끝도 없이 동작하는 전자식 메커니즘을 갖고 있습니다.

이제 당신이 우연히 여러 종류의 작은 기계 뭉치를 손에 넣었다고 가정합시다. 손에 넣은 기계장치가 고장의 염려없이, 나름대로의 기능을 가지고 있다는 것을 알게 된다면 당신은 이 기계들을 어떻게 이용하리라고 생각하십니까? 아마 누구라도 시간이 있다면 먼저 하나씩 하나씩 동작시켜 보고나서, 다음에 이것 저것들을 서로 연결해 동작시켜 볼 가능성이 큽니다. 점점 이러한 연결을 확대해서 결국에는 더 크고, 더 복잡하고, 더 다양한 기능을 가진 기계장치를 만들고 싶어하게 될 것입니다.

그렇습니다. 그러한 대표적인 결과가 마이크로 프로세서입니다.
그러나 최초의 컴퓨터라 할 수 있는 베비지(Chales Babbage, 영국, 수학자/발명가)의 기계식 컴퓨터가 결국 실패했듯이 마법에 걸린 기계장치와 현실세계의 기계 사이에는 분명 차이가 존재합니다. 아시다시피 현실에서는 무척이나 작으면서, 고장없이 동작하는 기계장치가 절대로 존재할 수 없기 때문입니다. (마찰과 마모가 주 원인입니다.)

그러나 트랜지스터나, FET를 사용하면 독립되고, 믿을 수 있으며, 작은 기계처럼 동작하는 회로를 만들 수 있습니다.
바로 논리회로(Logic circuit) 입니다. 그렇다면 이제 드디어 모든 문제가 해결된 것처럼 보이는군요. 바야흐로 마음껏 연결해서, 원하는 대로 쌓아올려 가면 되지 않을까요? 아닙니다. 아직 안됩니다. 아직도 문제가 남아 있습니다. 그것도 심각한 문제가…
하나 하나의 작은회로의 동작을 신뢰할 수 있는 것과 이 회로들을 (수 없이) 연결한 커다란 전체회로가 문제없이 동작하는 것은 분명히 다릅니다. 돌로 작은 집을 지을 수 있다는 사실이, 돌로 큰 궁전까지 건축할 수 있다는 것을 보증하는 것은 아닙니다.
문제는 규모입니다. 건축의 규모가 커지면 중력이 큰 문제로 떠오릅니다. 전자회로에도 마찬가지 문제가 있습니다. 건축에서 중력에 해당하는 문제가, 회로에서는 노이즈(noise)에 해당합니다. 전기/전자에서 노이즈(noise)란 원하지 않는 (전기적) 간섭을 의미합니다. 이 원치않는 간섭은, 전자파의 형태로 (공중을 날아서) 침입해 들어옵니다. 100% 피하는 방법이란 없습니다. 중력을 피할 수 없듯이 전자파도 피할 수 없습니다.
전자파의 원인은 앞이나 옆, 뒤 혹은 위나 아래에서 신나게 동작하고 있는 다른 (회로) 친구들의 활동입니다. 회로의 동작에서 전자파가 발생되기 때문입니다.
이제 거의 결론에 도달했습니다.
인류가 커다란 건축물을 세우기 위해, 먼저 아치공법이 발명되어야 했듯이 수 많은 논리회로를 (마음대로) 연결해서 큰 회로를 만들기 위해서는, 또 하나의 위대한 기본원리가 먼저 발명되어야 했습니다. 자유로운 연결을 위한 기술의 핵심은 오늘날 모든 논리회로 IC와 마이컴 IC속에 살아 숨쉬고 있습니다. (출력과 입력신호를 단단히 맺어주어, 외부의 전자파 간섭을 뿌리칠 수 있는) 기술의 핵은 입력 단자를 Low 상태로 만들기 위해, 입력단자에서 외부 회로로 흘러나가는 전류가 필요하다는, “입력 싱크전류”의 존재를 정의한 것입니다. (흘러나가는 전류가 없으면, 입력의 상태는 High)
※ TTL 로직 IC에서 설명한 “입력 싱크전류”의 의미는 그림을 참조하세요. 청색 화살표로 표시된 전류가 “입력 싱크전류”입니다. “입력 싱크전류”는 반드시 앞 단의 출력회로 동작과 연계되어야 존재할 수 있습니다.
(“입력 싱크전류”는 Tr2가 ON 되어야 발생합니다. 이 전류로 Tr3이 동작하고, 그 결과 Tr4가 OFF 상태로 됩니다.) 적색 화살표는 “입력 싱크전류”가 없을 때 흐르는 전류를 나타냅니다. (이 전류로 Tr4가 ON 상태로 됩니다)
그림의 우측하단에 TTL과 CMOS IC의 기본회로를 보였습니다.
각 IC에서 사용하고 있는 소자를 보면, 트랜지스터와 FET로 나뉘어 있다는 것을 확인할 수 있습니다.

곰곰히 생각해보면 입력이란 “무엇인가를 받아들인다”라는 의미를 내포하고 있습니다. 그런데 반대로 전류를 내보내야 Low 상태가 성립된다는 조건은 뜻밖의 시각, 패러다임의 전환을 요구합니다.
만일 입력단자가 수동적으로 전압을 받아들이기만 한다면, 외부의 상태가 필요한 신호인지? 노이즈인지? 구별할 재주가 없습니다. (노이즈는 전압을 더해주기는 해도, 전류까지 빼내 갈 능력까지는 없습니다. 전류의 이동에는 큰 에너지가 필요하기 때문입니다. 대부분의 경우 노이즈는 본 신호에 비해 가지고 있는 에너지가 작습니다) 한발 더 나아가 능동적으로 촉수(전류)를 내 보내 확인함으로써 외부의 적과 아군을 판단할 수 있는 것입니다. 이 혁신적인 아이디어야 말로, 입_출력 신호를 단단히 연결해 주는 “마법의 갈고리”를 구성하는 핵심요소입니다.
신무기 “마법의 갈고리” 즉 “입력 싱크전류”의 개념을 장착함에 따라 우리는 마음껏 논리회로를 구사할 수 있게 되었습니다. 논리회로 IC의 연결만 주의한다면 논리회로는 (우리의) 생각대로 정확히 동작하고, 명확한 결과를 보여줍니다. 그 증거가 컴퓨터, 핸드폰, MP3, 유비쿼터스 등등으로 대표되는 오늘날의 디지털 세계입니다.
이제 디지털 세계의 일부인 논리 IC가, 당신의 손 위에 놓여 있습니다.
※ 이와같이 논리회로에는 논리회로 특유의 장/단점이 나타납니다.
예를들면 “마법의 갈고리”인 “입력 싱크전류” 방식에는 전류소비가 늘어나고, 발열이 커진다는 단점이 있습니다. 역시 “마법은 아니였구나”라는 생각에 안심이 됩니다. (마법이 좋을 것 같지만 역시 공평한 자연의 법칙이 더 미덥습니다. )

다음편에서 계속 됩니다.