16년 2회차

연산증폭기의 연산 정확도는 높은 개루루프 이득, 광역폭(대역폭), 안정도에 의존하며, 이를 실현하기 위해 좋은 차단특성(보기 1), 큰 증폭도와 안정도(보기 2), 안정적인 부귀환(보기 3)이 필수 요구사항이다. 반면 보기 4의 "높은 주파수의 발진출력을 지속적으로 내는 것"은 정반대로 연산증폭기에서는 발진을 억제해야 하며, 발진은 정확한 연산을 방해하는 불안정 현상이므로 연산 정확도 향상과 무관하거나 오히려 해로운 특성이다.

전열기는 저항성 부하이므로 저항값이 일정하다. 전력은 전압의 제곱에 비례하므로 전압이 60%로 낮아지면 전력은 0.6² = 0.36배, 즉 36%만 소비된다.

정격 전압을 $V$, 정격 전력을 $P$ = 100W라 하면, 저항은
$R = \frac{V^2}{P} = \frac{V^2}{100}$이다.
전압이 정격 전압의 60%, 즉 $0.6V$로 감소할 때 소비 전력은
$P' = \frac{(0.6V)^2}{R} = \frac{0.36V^2}{V^2/100} = 0.36 \times 100 =$이다.

회로에서 트랜지스터는 직렬 제어소자로 작동하여 출력전압을 조정하며, 제너다이오드 Z_D는 트랜지스터의 베이스에 항상 일정한 전압을 공급하는 기준전압 유지 역할을 한다. 제너다이오드는 항복영역에서 전류 변화에도 양단 전압이 거의 일정하게 유지되는 특성을 이용해 출력전압을 안정화시키는 기준점을 제공한다.

단상 반파정류기의 DC 출력전압은 V_dc = V_m/π(V_m은 입력 교류 전압의 최댓값)이고, 단상 전파정류기(전파=양파)의 DC 출력전압은 V_dc = 2V_m/π이다. 따라서 전파정류기의 DC 출력전압을 반파정류기의 DC 출력전압으로 나누면 $\frac{2V_m/\pi}{V_m/\pi} = 2$배가 된다.

N형 반도체는 실리콘(Si)이나 게르마늄(Ge) 같은 4가 반도체에 5가 원소를 도핑하여 만들어진다. 5가 원소는 4개의 전자가 공유결합에 참여하고 1개의 여분 전자(자유전자)를 남겨 전자 전도를 가능하게 하며, 이를 공여자(donor)라 부른다. 보기 중 비소(As)는 5가 원소이므로 N형 반도체 제조에 사용되고, 인듐(In)·갈륨(Ga)·알루미늄(Al)은 모두 3가 원소로 정공(hole)을 만드는 P형 반도체의 불순물이다.

그림은 V1이 R1을, V2가 R2를 거쳐 반전(−) 입력의 한 점에 모이고 Rf가 출력 Vo와 그 점을 잇는 구조로, 여러 입력을 저항비로 가중해 더하는 가산기형 D/A 변환회로다.

비반전 단자가 접지되어 반전 단자가 가상 접지가 되므로 전류 합에서 $\dfrac{V_1}{R_1}+\dfrac{V_2}{R_2}=-\dfrac{V_o}{R_f}$, 즉 $V_o=-R_f\left(\dfrac{V_1}{R_1}+\dfrac{V_2}{R_2}\right)$가 된다.

여기서 입력 저항을 R, 2R, 4R … 처럼 2의 거듭제곱 비로 두면 각 입력이 2진 자릿값만큼의 가중치를 갖게 되어 디지털 입력이 아날로그 전압으로 변환된다.

• 미분회로는 입력 쪽에, 적분회로는 되먹임 쪽에 콘덴서가 있어야 하는데 그림의 소자는 모두 저항이다.
• 부호 변환회로는 입력이 하나이고 입력 저항과 되먹임 저항이 같아야 하지만, 그림은 입력 단자가 V1·V2 두 개다.

적분기 회로는 입력 신호를 적분하는 회로로, 저역통과 RC회로로 구성된다. 저역통과 필터는 높은 주파수 성분을 감쇠시키고 낮은 주파수 성분을 통과시키는데, 이는 신호의 변화율을 줄여 적분 특성을 나타낸다. 고역통과는 미분 특성을, 대역통과와 대역소거는 특정 주파수 대역을 선택하거나 제거하는 역할을 하므로 적분기가 아니다.

광전변환소자는 빛 에너지를 전기 신호로 변환하는 소자이며, 포토 트랜지스터·태양전지·CCD 센서는 모두 광자(포톤)가 반도체에 입사할 때 전자-정공쌍을 생성하여 전류 또는 전압을 발생시킨다. 반면 홀 발전기(Hall generator)는 자기장 속에서 도체나 반도체에 흐르는 전류에 수직인 방향으로 형성되는 홀 전압을 이용하여 자기장 강도를 측정하는 소자로, 빛이 아닌 자기장 변화를 감지하므로 광전변환소자가 아니다.

고주파 회로와 바이패스 용도에 적합한 커패시터는 세라믹 커패시터이다. 세라믹 커패시터는 높은 주파수 특성으로 인해 고주파 응용에 우수하며, 소형이고 가격이 저렴해 대량으로 사용되는 바이패스 및 커플링 용도에 가장 널리 적용된다. 마일러 커패시터는 안정성은 좋으나 고주파 특성이 떨어지고, 탄탈 커패시터는 고가이며, 전해 커패시터는 극성이 있어 바이패스용 AC 신호 처리에 부적합하다.

실제적인 R-L-C 병렬 회로의 공진 주파수는 이상적인 L-C 회로와 동일하게 $f_0 = \frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}$로 구하며, R은 Q값에만 영향을 주고 공진 주파수 자체에는 영향을 주지 않는다.

주어진 값을 대입하면
$f_0 = \frac{1}{2\pi\sqrt{400 \times 10^{-6} \times 250 \times 10^{-12}}} = \frac{1}{2\pi\sqrt{1 \times 10^{-13}}} = \frac{1}{2\pi \times 10^{-6.5}} = \frac{1}{2\pi \times 3.162 \times 10^{-7}}$이다.
계산하면
$f_0 = \frac{1}{1.987 \times 10^{-6}} \approx 503 \text{ kHz}$
이므로 약 500 kHz이다.

자왜 현상은 강자성 재료(철, 니켈 등)가 자기장 아래에서 치수가 변하는 물리 현상으로, LC 발진기의 동작 원리와는 무관하며 발진기의 이상 현상으로 분류되지 않는다.

나머지는 모두 LC 발진기에서 발생 가능하다.

• 기생 진동은 LC 탱크 회로의 기생 성분으로 인해 원하는 주파수 외에 추가 주파수가 발진하는 현상이다.
• 블로킹 현상은 발진기의 증폭 단계에서 신호가 과도하게 포화되어 출력이 차단되는 현상이다.
• 인입 현상은 외부 신호가 발진기의 주파수를 변화시키는 현상이다.

집적회로(IC)의 주요 장점은 신뢰성 향상, 초소형화, 대량 생산 용이 등이며, 이는 1~3번에 해당한다. 반면 4번 "주로 고주파 대전력용으로 사용된다"는 IC의 특성이 아니다. IC는 저전력, 저전압의 신호 처리에 주로 사용되며, 고주파 대전력 응용은 오히려 이산 소자(트랜지스터, 다이오드 등)가 더 적합하다.

3단자 레귤레이터는 입력과 출력 전압의 차이에 비례하는 전력을 발열로 소모하는 선형 방식이므로, 많은 전류를 공급할 경우 상당한 열이 발생한다. 따라서 4번 "전력소모가 적어 방열 대책이 필요 없다"는 거짓이다. 반면 1번은 발진 방지용 입출력 커패시터가 필수이고, 2번은 소비 전류가 수십~수백 mA 정도로 적은 회로에 주로 사용되며, 3번은 큰 전류를 필요로 하는 경우 효율과 발열 문제로 부적합하다는 점이 모두 맞다.

전자기파는 매질이 없어도 전파되므로, 우주공간에서 전파의 전달이 불가능하다는 설명이 틀렸다.

진공인 우주공간에서도 전자기파는 그대로 진행하며, 위성 통신이나 천체에서 오는 빛·전파의 관측이 가능한 것도 이 때문이다.

• 주기적으로 세기가 변하는 전자기장이 공간으로 전파해 나가는 것이라는 정의는 옳은 설명이다.
• 매질이 없어도 진행할 수 있다는 설명 역시 전자기파의 기본 성질에 해당한다.

두 수의 크기를 비교하는 것은 산술논리연산장치(ALU)가 맡는 일이어서 제어장치의 역할이 아니다.

제어장치는 명령을 해석해 제어 신호를 보내는 지휘 역할을 할 뿐, 데이터를 직접 계산하거나 비교하지는 않는다.

• 명령을 해독하는 일은 명령 레지스터의 내용을 풀어 읽는 제어장치의 기본 기능이다.
• 입출력 제어와 시스템 전체의 감시·제어 역시 제어장치가 담당하는 일이다.

다음에 실행할 명령어의 주소를 기억하는 것은 프로그램 카운터이다.

명령을 하나 인출할 때마다 값이 자동으로 증가하거나 분기 주소로 바뀌어 항상 다음 명령의 위치를 가리킨다.

• 레지스터는 CPU 안의 임시 저장 공간을 통칭하는 넓은 개념이다.
• 기억장치는 프로그램과 데이터를 저장하는 장치 전반을 가리킨다.
• 플립플롭은 1비트를 기억하는 기본 소자로, 주소를 담는 특정 레지스터를 뜻하지 않는다.

2진수 1011010을 변환하면 8진수로는 132, 16진수로는 5A가 된다.

8진수는 오른쪽 끝을 기준으로 3비트씩 묶으므로 001 011 010 이 되어 1, 3, 2 로 읽는다.

16진수는 같은 방식으로 4비트씩 묶어 0101 1010 이 되어 5, A 로 읽는다.

가산기를 주축으로 구성되어 사칙연산과 논리연산을 수행하는 장치는 산술논리 연산장치(ALU)이다.

덧셈을 담당하는 가산기를 중심으로 보수기·누산기·시프트 레지스터 등이 붙어 뺄셈과 논리연산까지 처리한다.

• 제어장치는 명령을 해독하고 각 장치에 제어 신호를 보내는 역할을 한다.
• 입출력장치는 외부와 데이터를 주고받는 장치이다.
• 레지스터는 연산에 쓰일 데이터를 잠시 담아 두는 고속 기억 소자이다.

2의 보수는 1의 보수에 1을 더한 값이다. 먼저 10101의 1의 보수를 구하면 각 비트를 반전시켜 01010이 된다. 여기에 1을 더하면 01010 + 1 = 01011이므로 정답은 3번이다.

주기억장치와 주변장치 사이의 전송 속도 차이를 해결하기 위해 데이터를 임시로 저장하는 고속 기억장치는 버퍼(Buffer)이다. 버퍼는 속도가 빠른 CPU와 느린 주변장치 사이에서 속도 불일치를 완충시켜주는 임시 저장소 역할을 한다. Address는 메모리 주소를 지칭하고, Channel은 입출력 경로, Register는 CPU 내부의 고속 저장소로 용도가 다르다.

한 레지스터의 내용을 다른 레지스터로 옮기는 비수치적 연산은 MOVE이다.

MOVE는 값을 바꾸지 않고 데이터의 위치만 옮기는 전송 연산이다.

• OR와 AND는 두 데이터를 비트별로 결합하는 논리 연산이다.
• SHIFT는 한 레지스터 안에서 비트를 좌우로 밀어 내는 연산이다.

주변장치의 입출력 방법으로 분류되지 않는 것은 트랩 방법이다.

트랩은 0으로 나누기나 잘못된 명령처럼 프로그램 실행 중 내부에서 생기는 예외를 처리하는 소프트웨어 인터럽트여서, 주변장치와 데이터를 주고받는 방식이 아니다.

• 풀링(폴링) 방법은 CPU가 각 장치의 상태를 차례로 확인해 입출력을 처리하는 방식이다.
• 인터럽트 방법은 장치가 요청 신호를 보내면 CPU가 하던 일을 멈추고 입출력을 처리하는 방식이다.
• 데이지체인 방법은 인터럽트 방식의 입출력에서 여러 장치의 우선순위를 하드웨어로 정해 주는 방법이다.

데이터베이스에 접근하는 하부 언어이자 구조적 질의어라 불리는 것은 SQL이다.

SQL은 데이터의 정의·조작·제어를 담당하는 표준 질의 언어로, 응용 프로그램 안에 삽입해 쓰기도 한다.

• 포트란은 과학기술 계산용으로 만들어진 범용 프로그래밍 언어이다.
• C는 시스템 프로그래밍에 널리 쓰이는 범용 절차형 언어이다.
• 자바는 플랫폼 독립성을 내세운 객체지향 범용 언어이다.