14년 3회차

PN 접합에 역방향 전압을 높이면 공핍층의 폭이 넓어지면서 공핍층의 정전용량은 감소한다.

공핍층이 넓어지면 마치 평행판 커패시터의 극판 간격이 멀어지는 것과 같아 정전용량이 줄어드는 것이다.

• 역방향 전압이 커지면 공핍층 저항은 오히려 증가하므로 저항이 감소한다는 설명은 옳지 않다.
• 공핍층의 폭은 역방향 전압에 비례해 넓어지므로 감소한다는 설명도 옳지 않다.
• 다수캐리어에 의한 전류는 역방향에서 거의 흐르지 않으므로 증가한다는 설명도 옳지 않다.

출력회로의 병렬(분포) 커패시턴스 때문에 높은 주파수에서 이득이 감소한다.

주파수가 높아질수록 이 병렬 커패시턴스의 리액턴스 $X_C=\dfrac{1}{2\pi fC}$가 작아져 신호 전류의 상당 부분이 이 경로로 빠져나가면서 고역 이득이 떨어진다.

• 증폭소자 자체의 특성 변화는 온도나 노화에 따른 별개의 문제이지 고역 이득 저하의 직접 원인이 아니다.
• 부성저항은 터널다이오드 등 특수 소자에서 나타나는 성질로 일반 RC결합 증폭기와는 관련이 없다.
• 결합 커패시턴스는 오히려 낮은 주파수에서 이득을 떨어뜨리는 요인이다.

진폭변조(AM)의 대역폭은 신호파 주파수의 2배로 결정된다.

$B = 2 f_m = 2 \times 3\ \mathrm{kHz} = 6\ \mathrm{kHz}$

따라서 이 AM 신호의 주파수 대역폭은 6[㎑]이다.

입력 쪽에 콘덴서 C 가 직렬로 들어가고 되먹임 경로에 저항 R 이 놓인 반전 증폭 구성이므로, 이 회로는 입력의 변화율을 출력으로 내보내는 미분기다.

그림에서 비반전 입력(+)이 접지되어 있어 반전 입력(−)은 가상 접지가 된다. 따라서 C 에 흐르는 전류는 $i=C\dfrac{de_i}{dt}$ 이고, 이 전류가 그대로 R 을 지나므로 $e_o=-iR$ 이다.

두 식을 합치면 $e_o=-RC\dfrac{de_i}{dt}$ 로 출력이 입력의 시간 미분에 비례한다. 삼각파를 넣으면 구형파가, 계단 입력을 넣으면 뾰족한 펄스가 나온다.

• 입력에 저항·되먹임에 콘덴서를 두어 소자 위치가 반대인 회로가 적분기이며, 출력은 $e_o=-\dfrac{1}{RC}\int e_i\,dt$ 가 된다.
• 입력과 되먹임이 모두 저항이고 두 값이 같으면 이득 −1 의 부호 변환기가 되므로, 콘덴서가 입력에 직렬로 들어간 이 회로와는 구분된다.

N형 반도체의 다수 반송자는 전자이다.

5가 원소(도너)를 첨가하면 과잉 전자가 생겨 자유전자가 전류를 주로 운반하게 된다.

• 정공은 P형 반도체의 다수 반송자이다.
• 도너는 전자를 내주는 불순물 원자 자체를 가리키는 용어이지 반송자가 아니다.
• 억셉터는 정공을 만드는 불순물 원자를 가리키는 용어이지 반송자가 아니다.

전압 증폭도는 입력전압 대비 출력전압의 비를 로그로 환산해 데시벨로 나타낸다.

$G = 20\log_{10}\dfrac{100\ \mathrm{V}}{10\ \mathrm{V}} = 20\log_{10}10 = 20\ \mathrm{dB}$

따라서 이때의 증폭도는 20[㏈]이다.

정전압회로에서 전압조절기(VR)처럼 전압을 일정하게 잡아 주는 동작을 하는 반도체소자는 제너다이오드이다.

제너다이오드는 역방향으로 항복 전압에 이르면 전류가 변해도 양단 전압이 거의 일정하게 유지되므로 기준 전압을 만드는 데 쓰인다.

• 서미스터는 온도에 따라 저항값이 크게 변하는 소자로 온도 검출·보상에 쓰인다.
• 바리스터는 일정 전압을 넘으면 저항이 급격히 낮아져 서지(과전압)를 흡수하는 소자이다.
• 트랜지스터는 전류를 증폭하거나 스위칭하는 소자이다.

크로스오버 일그러짐은 B급 증폭 방식에서 나타나는 대표적인 왜곡이다.

B급 푸시풀 증폭기는 두 소자가 입력의 반주기씩을 나누어 맡는데, 두 소자가 교대되는 지점에서 어느 쪽도 제대로 도통하지 않는 구간이 생겨 파형 이음매가 일그러진다.

• A급은 입력의 전 주기 동안 소자가 계속 도통하므로 이런 이음매 왜곡이 생기지 않는다.
• AB급은 미리 약간의 바이어스를 주어 교대 구간의 왜곡을 줄인 방식이다.
• C급은 반주기보다 짧게 도통하며 동조 회로와 함께 고주파 증폭에 쓰인다.

시미트 트리거 회로는 입력 파형과 관계없이 정해진 문턱전압을 기준으로 켜짐/꺼짐을 전환하므로 출력은 항상 구형파로 나온다.

정현파를 입력해도 회로가 임계값을 넘는 순간마다 스위칭하기 때문에 출력파형은 구형파가 된다.

안정도계수는 컬렉터 역포화전류의 변화량 대비 컬렉터 전류의 변화량 비율로 구한다.

$\Delta I_{CO} = 112\ \mu\mathrm{A} - 12\ \mu\mathrm{A} = 100\ \mu\mathrm{A} = 0.1\ \mathrm{mA}$
$S = \dfrac{\Delta I_C}{\Delta I_{CO}} = \dfrac{0.71\ \mathrm{mA}}{0.1\ \mathrm{mA}} = 7.1$

따라서 이 회로의 안정도계수는 7.1이다.

펄스의 주기는 그대로 두고 입력 신호 전압에 따라 진폭만 변화시키는 방식은 PAM(펄스 진폭 변조)이다.

펄스 변조는 펄스의 어떤 요소를 신호에 따라 바꾸는지에 따라 종류가 나뉜다.

• PFM은 펄스의 반복 주파수를 신호에 따라 바꾸는 방식이다.
• PWM은 펄스의 폭을 신호에 따라 바꾸는 방식이다.
• PCM은 표본화한 값을 2진 부호로 바꾸어 전송하는 방식이다.

CPU 개입 없이 메모리와 입출력 장치가 직접 데이터를 주고받는 방식은 DMA(Direct Memory Access)이다.

DMA 컨트롤러가 버스 사용권을 넘겨받아 전송을 직접 제어하므로, 그 사이 CPU는 다른 작업을 수행할 수 있어 전송 효율이 높아진다.

• FIFO는 데이터를 들어온 순서대로 내보내는 버퍼 구조를 가리키는 말이다.
• 핸드쉐이킹은 두 장치가 신호를 주고받으며 동기를 맞추는 절차이다.
• 일반적인 I/O 인터페이스는 CPU가 직접 관여해 데이터를 주고받는 방식이다.

기억장치의 성능은 무엇보다 용량과 접근속도로 평가한다.

용량이 클수록 더 많은 데이터를 담을 수 있고, 접근속도(접근시간)가 빠를수록 CPU가 지연 없이 데이터를 처리할 수 있어 시스템 성능에 직결된다.

모양이나 크기 같은 물리적 외형은 저장 용량이나 처리 속도와 무관해 성능 평가 기준으로 삼지 않는다.

데이터 전송 속도의 단위는 보(baud)이다.

보는 초당 신호(부호) 변화 횟수를 나타내는 단위로 통신 회선의 전송 속도를 표현할 때 쓴다.

• 비트는 데이터의 최소 단위로 정보의 양을 센다.
• 바이트는 8비트 묶음으로 역시 데이터의 양을 나타낸다.
• 바이너리는 2진수 체계를 가리키는 말로 속도 단위가 아니다.

누산기(accumulator)는 연산 결과를 일시적으로 기억하는 레지스터이다.

ALU가 산술·논리 연산을 마치면 그 결과값은 곧바로 누산기에 저장되어 다음 연산이나 기억장치 저장에 활용된다.

• 상태 신호를 발생시키는 것은 상태 레지스터 등 다른 구성요소의 역할이다.
• 제어 신호를 발생시키는 것은 제어장치의 역할이다.
• 명령어를 해독하는 것은 명령어 해독기가 담당하는 기능이다.

오퍼랜드가 있는 주소를 명령어 자체에 직접 담는 방식은 직접 어드레스 지정방식이다.

• 이미디어트 방식은 주소가 아니라 데이터 값 자체를 명령어에 담는다.
• 간접 어드레스 방식은 명령어가 담은 주소가 오퍼랜드의 주소를 가리키는 주소일 뿐이다.
• 레지스터 어드레스 방식은 기억장치 주소가 아니라 레지스터 번호를 지정한다.

주기억장치의 내용을 보조기억장치로 내보내는 동작은 롤아웃(Roll-out)이라 한다.

가상기억장치는 사용 빈도가 낮아진 페이지를 내보내 주기억장치 공간을 확보하며, 반대로 다시 불러들이는 동작은 롤인(Roll-in)이라 한다.

• 로드는 기억장치의 데이터를 CPU 레지스터로 읽어오는 일반적인 동작이다.
• 스토어는 CPU의 데이터를 기억장치에 써 넣는 일반적인 동작이다.
• 롤인은 이 문항과 반대 방향, 즉 보조기억장치에서 주기억장치로 되돌리는 동작이다.

8421 코드는 BCD 코드이다.

각 자리의 가중치가 8, 4, 2, 1로 고정된 대표적인 가중치 코드로, 10진수 한 자리를 4비트로 표현한다.

• 그레이 코드는 비가중치 코드로 인접 값 사이에 한 비트만 달라진다.
• 비콰이너리 코드는 5진부와 2진부를 조합해 10진 한 자리를 나타내는 별도의 가중치 코드이다.
• Excess-3 코드는 8421 값에 3을 더해 만드는 자기보수 코드이다.

명령어의 기본 구성요소는 오퍼레이션 코드와 오퍼랜드이다.

오퍼레이션 코드는 수행할 연산의 종류를 지정하고, 오퍼랜드는 그 연산의 대상 데이터나 주소를 나타낸다.

• 기억장치와 연산장치는 명령어가 아니라 컴퓨터를 구성하는 하드웨어 단위이다.
• 입력장치와 출력장치도 하드웨어 단위이지 명령어의 구성요소가 아니다.
• 제어장치와 논리장치 역시 하드웨어 단위를 가리키는 말이다.

인접한 값 사이에 한 비트만 바뀌는 비가중치 코드는 그레이(Gray) 코드이다.

이 특성 덕분에 값이 바뀔 때 여러 비트가 동시에 변하며 생기는 순간적 오류(글리치)가 없어 데이터 전송이나 위치 검출에 널리 쓰인다.

• BCD 코드는 8421 가중치를 갖는 코드로 연산에 적합하도록 만들어졌다.
• ASCII 코드는 문자와 기호를 표현하기 위한 코드이다.
• Excess-3 코드는 BCD에 3을 더해 만드는 자기보수 코드로 연산에 쓰인다.

출력 Z 가 0 이 되는 입력은 A=0, B=1, C=1 이다. 앞단 게이트 출력이 1 이면서 C 도 1 이어야 뒷단이 0 을 내기 때문이다.

그림을 보면 A·B 는 출력에 버블(○)이 붙은 NAND 로 들어가고, C 는 버블 없는 버퍼(삼각형) 를 그대로 통과한 뒤 두 신호가 다시 NAND 로 모여 Z 가 된다. 식으로 쓰면 $Z=\overline{\overline{A\cdot B}\cdot C}$ 이다.

따라서 $Z=0$ 의 조건은 $\overline{A\cdot B}=1$ 이면서 $C=1$, 즉 A·B=0 이고 C=1 이다. A 가 0, B 가 1 이면 $A\cdot B=0$ 이므로 이 조건을 만족한다.

• A 와 B 가 모두 1 인 입력은 앞단 NAND 출력이 0 이 되어 C 값과 상관없이 Z=1 이다.
• C 가 0 인 입력은 뒷단 NAND 의 한쪽 입력이 0 이므로 역시 Z=1 이 되어, A·B·C 가 모두 0 인 조합도 출력이 0 이 되지 않는다.

버스 라인을 쓰는 가장 큰 목적은 결합선 수의 축소이다.

장치마다 개별 배선을 하는 대신 공통 신호 통로를 공유하게 하면 배선과 커넥터의 수가 크게 줄어 회로가 단순해진다.

• 정확한 전송은 버스 도입 자체의 목적이라기보다 설계 시 함께 고려하는 요소이다.
• 속도 향상은 버스 구조의 부수적 효과일 뿐 핵심 도입 목적은 아니다.
• 레지스터 수의 축소는 버스와 직접적인 인과관계가 없다.

단항(Unary) 연산은 하나의 피연산자만을 필요로 하는 연산을 의미한다. OR, AND는 두 개 이상의 피연산자를 요구하는 이항 논리 연산이고, 4칙 연산도 두 개의 피연산자가 필요한 이항 연산이다. SHIFT 연산은 비트를 좌측 또는 우측으로 이동시키는 연산으로 하나의 피연산자와 이동량만으로 수행되는 단항 연산이다.