아날로그 회로

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1. 개요

아날로그 회로는 연속적인 값을 갖는 아날로그 신호를 처리하는 전자 회로이다. 아날로그 신호는 온도, 압력, 소리 등 다양한 물리적 현상을 전기 신호로 변환하여 정보를 전달하며, 전압, 전류, 주파수 등을 변경하여 정보를 나타낸다. 아날로그 회로는 디지털 회로와 비교하여 잡음과 외부 요인에 취약하고, 설계가 어렵지만, 고속으로 복잡한 처리를 수행할 수 있으며, 현실 세계와의 인터페이스에 필수적이다. 아날로그 회로는 증폭 회로, 필터 회로, 발진 회로 등 다양한 종류가 있으며, 능동 소자와 수동 소자를 모두 사용한다. 현대 전자 시스템에서는 디지털 회로와 함께 사용되며, 아날로그 회로 지식은 디지털 회로 설계에도 중요하다.

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아날로그 회로
개요
서미스터와 같은 아날로그 전자 부품은 디지털 전자와 달리 이산 신호가 아닌 연속 함수로 작동합니다.
아날로그 전자 부품은 디지털 전자 부품과 달리 연속 신호로 작동합니다.
정의
설명	지속적으로 변화하는 신호를 사용하는 전자 시스템.
어원	그리스어 αναλογος (analogos)에서 유래.
특징
신호	연속 신호 사용.
대조	디지털 전자와 대조됨.
신호 형태	전압 전류 기타 전기 신호
대표적인 예시	증폭기 필터 변조기 발진기
용도
다양한 분야	오디오 비디오 센서 기타 다양한 전자 시스템
추가 정보
참고	아날로그 회로는 연속 신호를 처리함. 디지털 회로는 이산 신호를 처리함.
주의	아날로그 신호는 잡음에 더 취약할 수 있음.

2. 아날로그 신호

아날로그 신호는 매질의 특성을 이용하여 정보를 전달한다. 예를 들어, 아네로이드형 기압계는 바늘의 각도로 기압 변화를 나타낸다.^[2] 전기 신호는 전압, 전류, 주파수 등으로 정보를 표현하며, 소리, 빛, 온도, 압력, 위치 등은 트랜스듀서(변환기)(예: 마이크로폰)를 통해 전기 신호로 바뀐다.^[3]

신호는 주어진 범위 안에서 연속적인 값을 가지며, 각 값은 서로 다른 정보를 나타낸다. 1볼트가 1℃를 나타내는 경우, 10볼트는 10℃, 10.1볼트는 10.1℃를 나타내는 식이다.

변조는 아날로그 신호 전달 방법 중 하나이다. 진폭 변조(AM)는 반송파 신호의 진폭을, 주파수 변조(FM)는 주파수를 변화시킨다. 위상 변조 등도 사용된다.^[4]

아날로그 녹음에서 음파의 압력 변화는 마이크로폰을 통해 전류나 전압 변화를 일으킨다. 소리 크기가 커지면 변화도 비례하여 커지지만, 파형은 유지된다.

아날로그 신호는 전기 신호뿐 아니라 기계, 공압, 유압 시스템 등에도 쓰인다.

2. 1. 아날로그 신호의 특징

아날로그 신호는 주어진 범위 내에서 무한히 많은 값을 가질 수 있으며, 각 신호 값은 서로 다른 정보를 나타낸다. 신호의 모든 변화는 의미를 가지며, 각 신호 레벨은 그것이 나타내는 현상의 다른 레벨을 나타낸다. 예를 들어, 1볼트가 1℃를 나타내는 온도를 표현한다고 가정하면, 10볼트는 10℃를, 10.1볼트는 10.1℃를 나타낸다.^[2]

소리, 빛, 온도, 압력, 위치 등 다른 물리적 형태의 정보는 변환기를 통해 전기 신호로 변환될 수 있는데, 마이크로폰이 그 예시이다.^[3]

아날로그 신호는 변조를 통해 전달될 수도 있다. 진폭 변조(AM)는 사인파 전압 파형의 진폭을, 주파수 변조(FM)는 주파수를 변경한다. 위상 변조와 같이 반송파 신호의 위상을 변경하는 기술도 사용된다.^[4]

아날로그 음향 녹음에서 마이크로폰에 부딪히는 소리의 압력 변화는 마이크로폰을 통과하는 전류 또는 전압의 변화를 일으킨다. 소리의 볼륨이 증가하면 전류 또는 전압의 변동이 파형을 유지하면서 비례적으로 증가한다.

기계, 공압, 유압 시스템도 아날로그 신호를 사용할 수 있다.

2. 2. 아날로그 신호의 전달

아날로그 신호는 매질의 특성을 이용하여 신호 정보를 전달한다. 예를 들어, 아네로이드형 기압계는 바늘의 각도로 기압 변화 정보를 전달한다.^[2] 전기 신호는 전압, 전류, 주파수, 또는 총 전하를 변경하여 정보를 나타낼 수 있다. 정보는 소리, 빛, 온도, 압력, 위치 등 다른 물리적 형태에서 변환기(트랜스듀서)를 통해 전기 신호로 변환되는데, 이는 한 종류의 에너지를 다른 종류의 에너지로 변환하는 장치이다(예: 마이크로폰).^[3]

신호는 주어진 범위 내의 임의의 값을 취하며, 각각의 고유한 신호 값은 서로 다른 정보를 나타낸다. 신호의 변화는 모두 의미가 있으며, 각 신호 레벨은 그것이 나타내는 현상의 다른 레벨을 나타낸다. 예를 들어, 신호가 1볼트가 1℃를 나타내는 온도를 나타내는 데 사용된다고 가정하자. 이러한 시스템에서 10볼트는 10도를, 10.1볼트는 10.1도를 나타낸다.

아날로그 신호를 전달하는 또 다른 방법은 변조를 사용하는 것이다. 여기서 기본 반송파 신호의 특성 중 하나가 변경된다. 진폭 변조(AM)는 사인파 전압 파형의 진폭을 원본 정보에 따라 변경하고, 주파수 변조(FM)는 주파수를 변경한다. 위상 변조 또는 반송파 신호의 위상을 변경하는 등의 다른 기술도 사용된다.^[4]

아날로그 음향 녹음에서 마이크로폰에 부딪히는 소리의 압력 변화는 마이크로폰을 통과하는 전류 또는 전압의 변화를 일으킨다. 소리의 볼륨이 증가하면 전류 또는 전압의 변동이 파형 또는 모양을 유지하면서 비례적으로 증가한다.

기계, 공압, 유압 및 기타 시스템도 아날로그 신호를 사용할 수 있다.

3. 아날로그 회로의 특징

아날로그 회로는 디지털 회로와 비교하여 다음과 같은 특징을 갖는다.

잡음이나 간섭 등 외부 요인에 약하다.^[5]
소자 간 영향이 크다.
짧은 시간에 복잡한 처리가 가능하다.

신호 처리 관점에서 아날로그 신호 처리는 곤란하므로 디지털화가 진행되고 있다. 그러나 현실 세계와의 연결에는 아날로그 신호 입출력이 필수적이기에, 아날로그-디지털 신호 간 변환에 아날로그 회로가 사용된다.^[21]

디지털 회로도 물리적으로는 아날로그 회로의 일종이다. 최근 디지털 회로 오작동 원인 중 하나가 아날로그 회로와 동일하여, 디지털 회로만 구성된 경우에도 최소한의 아날로그 회로 지식이나 기술이 요구된다.

3. 1. 디지털 회로와의 비교

아날로그 회로는 디지털 회로와 비교하여 잡음, 정밀도, 설계 면에서 다음과 같은 특징을 갖는다.

잡음: 아날로그 회로는 잡음에 매우 취약하다. 아날로그 신호는 그 변동에 의미가 있기 때문에, 잡음으로 인해 신호가 왜곡되기 쉽다.^[5] 반면 디지털 회로는 특정 임계값까지 잡음의 영향을 거의 받지 않아, 잡음에 강하다.^[7] 디지털 회로에서는 논리 게이트마다 신호를 재생성하여 잡음을 줄이거나 제거한다.^[9]

정밀도: 아날로그 회로는 연속적인 값을 처리하므로 이론적으로는 무한한 정밀도를 가질 수 있다. 그러나 실제로는 잡음, 소자 특성 변화 등의 요인으로 인해 정밀도가 제한된다.^[12] 디지털 회로는 이산적인 값을 처리하므로 정밀도가 제한되지만, 신호를 나타내는 자릿수를 늘려 정밀도를 높일 수 있다.

설계: 아날로그 회로는 일반적으로 디지털 회로보다 설계하기 어렵다.^[13] 아날로그 회로 설계는 수작업으로 이루어지는 경우가 많고, 자동화가 덜 되어 있다.

디지털 회로가 현실 세계와 상호 작용하려면 대부분 아날로그 인터페이스가 필요하다.^[14] 예를 들어, 디지털 라디오 수신기에는 디지털 회로 앞에 항상 아날로그 증폭 회로가 있다.

3. 2. 아날로그 회로의 장점

아날로그 회로는 간단한 회로로 빠른 시간에 복잡한 처리를 할 수 있다는 장점이 있다.^[21] 그러나 고도의 성능을 구현하려면 회로가 복잡해지고, 크기가 커지며, 비용이 증가한다.^[21]

현실 세계는 연속적인 아날로그 신호로 이루어져 있으므로, 아날로그 회로는 현실 세계와 디지털 시스템을 연결하는 데 필수적이다. 아날로그 회로는 아날로그 신호를 손실 없이 디지털 신호로 변환하거나, 디지털 신호를 정확한 아날로그 신호로 변환하는 데 사용된다.^[21]

3. 3. 아날로그 회로의 단점

잡음이나 간섭, 온도 변화 등 외부 요인에 약하다.^[19] 아날로그 신호는 그 변동에 의미가 있으며, 무작위적인 외부 간섭이 추가되면 원래의 변동과 구별할 수 없게 되므로 잡음으로 나타난다.^[19] 신호를 복사하거나 장거리로 전송하면 그러한 무작위적인 변화가 커져서 신호가 저하된다. 다른 잡음원으로는 외부의 전기 신호나 설계가 부족한 부품 등이 있다. 이러한 외부 간섭은 차폐를 하거나 저잡음 증폭기(LNA)를 사용하여 줄일 수 있다.^[20]
소자 변동의 영향을 받기 쉽다.
아날로그 회로는 일반적으로 디지털 시스템보다 설계가 더 어렵고, 개념 설계에 더 많은 기술이 필요하다.^[13] 아날로그 회로는 응용 프로그램이 하드웨어에 내장되어 있기 때문에 일반적으로 수작업으로 설계된다. 반면 디지털 하드웨어는 응용 프로그램 간에 공통점이 많고 표준화된 형태로 대량 생산될 수 있으며, 하드웨어 설계는 대부분 동일한 블록을 반복하는 것으로 구성되어 설계 프로세스를 자동화할 수 있다.

4. 아날로그 회로의 구성 요소

아날로그 회로는 저항, 축전기, 인덕터와 같은 수동 소자만으로 구성될 수 있지만, 트랜지스터와 같은 능동 소자를 포함하기도 한다. 기존 회로는 개별 부품인 집중 소자로 구성되지만, 전송선 조각으로 구성되는 분포 정수 회로도 있다.

4. 1. 능동 소자

트랜지스터, 전계효과 트랜지스터, 연산 증폭기, 진공관은 전압이나 전류를 증폭하거나 제어하는 역할을 하는 능동 소자이다.

4. 2. 수동 소자

저항기, 코일, 축전기는 전압이나 전류를 저장, 방출하거나 흐름을 제한하는 역할을 한다. 변압기도 수동 소자에 해당한다.^[1]

5. 아날로그 회로의 종류

아날로그 회로는 그 기능에 따라 다음과 같이 여러 종류로 분류할 수 있다.

증폭 회로: 작은 신호를 크게 만드는 회로이다. 오디오 증폭기, 고주파 증폭기 등에 사용된다.
필터 회로: 특정 주파수의 신호만 통과시키는 회로이다. 잡음 제거, 신호 분리 등에 사용된다.
발진 회로: 특정 주파수 신호를 만들어내는 회로이다. 통신, 신호 처리 등에 사용된다.
변조 회로: 신호를 전송하기 좋게 바꾸는 회로이다. 라디오, 텔레비전 방송 등에 사용된다.
전원 회로: 교류 전압을 직류 전압으로 변환하거나, 전압 레벨을 조절하는 회로이다. 전자 기기의 전원 공급 장치에 사용된다.
연산 회로: 덧셈, 뺄셈, 곱셈, 나눗셈 등 수학적 연산을 수행하는 회로이다. 아날로그 컴퓨터, 신호 처리 등에 사용된다.
임피던스 정합 회로: 두 회로 간의 임피던스를 일치시켜 신호 전달 효율을 높이는 데 사용된다. 안테나, 고주파 회로 등에 사용된다.

5. 1. 증폭 회로

증폭 회로는 작은 신호를 크게 증폭하는 회로이다. 오디오 증폭기, 고주파 증폭기 등에 사용된다.

5. 2. 필터 회로

필터 회로는 특정 주파수 대역의 신호만 통과시키고 나머지는 차단하는 회로이다. 잡음 제거, 신호 분리 등에 사용된다.

5. 3. 발진 회로

발진 회로는 특정 주파수의 신호를 생성하는 회로이다. 통신, 신호 처리 등에 사용된다.

5. 4. 변조 회로

변조 회로는 신호를 전송하기 쉽도록 반송파에 싣는 회로이다. 라디오, 텔레비전 방송 등에 사용된다.

5. 5. 전원 회로

교류 전압을 직류 전압으로 변환하거나, 전압 레벨을 조절하는 회로이다. 전자 기기의 전원 공급 장치에 사용된다.

5. 6. 연산 회로

연산 회로는 덧셈, 뺄셈, 곱셈, 나눗셈 등 수학적 연산을 수행하는 회로이다. 아날로그 컴퓨터, 신호 처리 등에 사용된다.

5. 7. 임피던스 정합 회로

임피던스 정합은 두 회로 간의 임피던스를 일치시켜 신호 전달 효율을 높이는 데 사용된다. 안테나, 고주파 회로 등에 사용된다.

6. 아날로그 회로와 디지털 회로의 관계

현대 전자 시스템은 아날로그 회로와 디지털 회로가 함께 사용되는 경우가 많다. 아날로그-디지털 변환기(ADC)는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하고, 디지털-아날로그 변환기(DAC)는 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환한다.^[21] 현실 세계와 연결되는 부분에서는 반드시 아날로그 신호의 입출력이 필요하기 때문에, 아날로그 신호를 손실 없이 디지털 신호로 변환하거나, 아날로그 신호를 정확하게 디지털 신호로 변환하는 목적으로 아날로그 회로가 사용된다.

디지털 회로도 물리적인 관점에서 보면 아날로그 회로의 일종이며 최근에는 아날로그 회로와 동일한 원인으로 오작동을 하는 원인이 되기 때문에, 디지털 회로만으로 구성되었을 경우에도 최소한의 아날로그 회로 지식이나 기술이 반드시 필요하다.

아날로그 회로와 디지털 회로는 정보를 부호화하는 방법이 다르기 때문에, 결과적으로 신호를 처리하는 방법도 다르다. 아날로그 신호에 대해 증폭 회로나 필터 회로 등에서 하는 동작은 디지털 영역에서도 완전히 같은 것이 가능하다.

참조

_[1] 서적 Concise Oxford dictionary Oxford University Press Inc.
_[2] 서적 The aneroid barometer: its construction and use https://archive.org/[...] D. Van Nostran Co.
_[3] 서적 Beginning Digital Electronics Through Projects https://books.google[...] Newnes
_[4] 서적 Electronics the Easy Way https://archive.org/[...] Barron's Educational Series
_[5] 서적 Schaum's Outline of Theory and Problems of Analogue and Digital Communications https://books.google[...] McGraw-Hill Professional
_[6] 서적 Secrets of RF circuit design https://books.google[...] McGraw-Hill Professional
_[7] 서적 Even Odder Perceptions Psychology Press
_[8] 서적 Digital Techniques in Broadcasting Transmission Focal Press
_[9] 서적 The electrical engineering handbook https://books.google[...] Academic Press
_[10] 서적 Radio-Frequency Electronics: Circuits and Applications Cambridge University Press
_[11] 서적 Voice Over IP Fundamentals Cisco Press
_[12] 서적 Practical electronics for inventors https://books.google[...] McGraw-Hill Professional
_[13] 웹사이트 Clocks - Digital and Analog https://www.mathsisf[...] 2020-12-18
_[14] 서적 Analog circuit design https://books.google[...] Newnes
_[15] 서적 Concise Oxford dictionary Oxford University Press Inc.
_[16] 서적 The aneroid barometer: its construction and use https://books.google[...] D. Van Nostran Co.
_[17] 서적 Beginning digital electronics through projects https://books.google[...] Newnes
_[18] 서적 Electronics the Easy Way https://books.google[...] Barron's Educational Series
_[19] 서적 Schaum's outline of theory and problems of analogue and digital communications https://books.google[...] McGraw-Hill Professional
_[20] 서적 Secrets of RF circuit design https://books.google[...] McGraw-Hill Professional
_[21] 서적 Voice communication between humans and machines https://books.google[...] U.S. National Academy of Science Press
_[22] 서적 The electrical engineering handbook https://books.google[...] Academic Press
_[23] 서적 Practical electronics for inventors https://books.google[...] McGraw-Hill Professional
_[24] 서적 Analog circuit design https://books.google[...] Newnes

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