전기전자의 개념 주워담기

소설처럼 읽기 쉬운 전기전자책은 없을까? 이 책은 이런 문제의식에서 출발한다.오로지 읽어 가기만 하더라도 독자에게 전기전자의 근본적 개념들을 심어 주는 서술방식의 특징을 가지고 있다. 주변의 잡다한 이야기로 주제를 거스르는 스토리 텔링식을 지양하고, 하나의 주제를 정해 통일적 방식으로 핵심주제를 몰아가 결국에는 개념을 걷어 올리도록 구성 되어 있다.



1부와 2부는 반도체 장비에서 중요하게 사용되는 직류 V/I SOURCE를 이해하기 위한 토대들을 구축하도록 회로들이 해석 되어 있다. 1부는 직류 V/I SOURCE를 해석하기 위한 갖가지 연산증폭기를 주로 다루었으며, 2부는 직류V/I SOURCE의 작동체계를 해석하였다.

3부는 교류의 여러 중심개념들을 서술한다. 그 중에서 까다롭기로 유명한 퓨리에 급수와 계수를 이해하기 쉽게 설명하였고, 라플라스 연산자 S의 출현과정을 파헤쳤다.

4부는 디지탈 소자들이 실무에 어떻게 적용되는지를 현장성을 위주로 서술하였다.



이 책은 연습문제를 다루지는 않는다. 문제를 다루기에 앞서 꼭 이해해야 할 개념을 확실하게 다지기 위하여 책이 서술 되어 있기 때문이다. 어느 학문이든지 중심 개념을 공고히 하면 공부하는데 어려움은 없다. 전기전자를 공부할 때 중요한 것은 자신감이다. 자신감은 마음을 다잡는 의지적 다짐으로 얻어지는 것이 결코 아니다. 기초가 튼실할 때 생기는 것이 자신감이다. 결국 전기전자 개념 주워담기는 전기전자를 공부하는데 어려움을 겪는 많은 사람들에게 확실한 개념을 전달함으로 자신감을 갖게 만들어줄 것으로 확신한다.



[책 서문]

퓨리에 변환이나 라플라스 변환에 관한 두툼한 책에 시간을 들이고, 열심히 노력해서 일일이 풀었다고 하자. 그런데 라플라스 연산자 S가 뭔지, 퓨리에 급수와 계수가 공학적으로 어떤 의미를 갖고 있는지 책을 풀고 나서도 여전히 의문에 싸여 있다면 진정으로 퓨리에와 라플라스를 이해했다고 할 수 있을까?



사물을 이해하는 데에는 피상적인 이해와 심층적 이해가 있을 것 같다. 라플라스나 퓨리에 문제를 열심히 풀어도그 의미들이 아직까지 어두움에 갇혀 있다면 우리가 가진 지식이란 피상적인 이해의 수준에 머물고 있는 것은 아닐까? 생각해 본다.



우리는 너무나도 결과에 매몰되어 왔다. 그 결과물이 어떻게 해서 나왔는지에 대한 마땅한 이유는 어느덧 잊혀지고,이유와 과정을 젖혀 둔 채 문제를 푸는 데에만 골몰을 해 왔다. 문제를 푸는 것도 물론 중요하다. 그러나 그에 앞서 개념을 이해하는 것은 더욱 더 중요할 것 같다. 이 책은, 혹시 잊혀진 이유와 과정들에 대한 이해를 위해 쓰여진 작은 노력이라고 말하고 싶다.



뉴톤과 함께 미적분의 시조라고 경쟁한 독일의 라이프니쯔는 '우리는 왜 이렇게 되고 다르게 되지 않았는가라는 충분한 이유가 없다면, 어떠한 사실도 참이라는 것 혹은 존재한다는 것이 있을 수 없고, 어떠한 명제도 진리라는 것이 가능하지 않다고 생각한다'는 충족이유율의 원리를 주장했다.

충족이유율이라는 이성적 원리는 전기전자에서 아주 충실하게 나타나는 것은 아닌가 생각을 한 적이 있다. 반도체장비를 보고, 그 안에 수 많은 보드들이 잡다한 소자들로 꽉 차 있는 것을 보았을 때, 저항 하나라도 그저 아무렇게나 삽입한 것이 아니라는 측면에서 충족이유율의 미를 곱씹어 본 적이 있다. 반드시 이유에 이유가 꼬리를 물고 존재하기 때문이다.



시야에서 멀어진 원인들에 대한 이해를 위해 쓰여진 작은 소고라는 말에 필자가 담고 싶어 했던 의미가 바로 전기전자적 충족이유율이다. 깊고 깊은 이유들을 근원적으로 파헤친 것은 아니지만, 그런 방향으로 노력한 흔적들을 발견하시길 기대한다.



이년 전 둘째 딸아이가 컴퓨터로 블로그하는 모습을 우연찮게 보았다. 세상과 소통하는 방법이 재미있다고 여겨졌다. 그래서 딸아이의 도움을 받아 블로그라는 것을 시작했다. 처음에는 읽었던 책의 서평이나 올려 보자고 했다. 그러나 이미 시작한 것 숨을 길게 가져 가자고 마음을 먹고, 경험했던 전기전자에 관해 실무중심으로 블로그를 하나 둘 올리기 시작 했다. 올리다 보니 분량이 많아졌고, 분량이 늘어나다 보니 욕심이 생겼다. 괜찮은 호응도 받았다.책으로 발간하면 읽는 분들에게 작은 도움이 될 것 같아 출판을 타진 했고, 결국 출간하게 되었다.



학문에는 체계라는 것이 있다. 철학이 대표적으로 체계가 세워진 학문이라고 보여진다. 그러나 공학은 체계적이라기 보다는 분산적으로 주제가 흐트러져 있는 경우가 대부분이다. 공학하는 사람의 어려움은 분산된 주제를 논리적으로 연결시키는 작업이 여간 힘든 것이 아니다.연산증폭기를 보면 반전 증폭기가, 비반전 증폭기가 그리고 차동증폭기,적분기,비교기 등이 어떤 뚜렷한 주제 하에

체계를 갖지 않는다. 그렇다고 체계를 아예 세울 수 없는 것은 아니다.블로그라는 것이 단편의 주제로 흘러가기 쉽지만, 필자는 주제의 목표를 정해 놓고 점층적으로 내용을 꾸려 왔다.모든 것이 체계적이라고 말할 수는 없지만, 체계적이기를 지향했다. 연산증폭기를 해석할 때 가상단락을 중심으로,분산되는 주제를 갖는 연산증폭기 개별자들을 반도체 장비의 V/I SOURCE에 적용하기 위한 디딤돌 지식으로 쌓아나갔다. 또한 라플라스 연산자 S의 의미를 캐어 내려 기반부터 찾아 논리적 구색을 맞추려 하였다. 물론 이 책이단일한 주제 하에 처음부터 끝까지 꼼꼼한 체계를 갖추었다고 자랑삼아 내세울 수는 없겠지만 체계의 외양은 갖추려 했다.



이 책은 문제집 위주의 교재 와는 달리, 그 문제에 접근하기 위한 근본적인 개념을 따져 묻고, 칼럼의 형식을 갖추어 개념을 집중적으로 이해의 차원으로 퍼 올리려 했기 때문에 연습문제가 없다. 혹시 미진하다고 생각하시는 분은문제집을 꼭 사서 숙성과정을 가지시라 권하고 싶다.



바람이 있다면 전기전자를 공부하면서 이해의 차원이 열리지 않아 숙제로 남겨 두었던 화두가 확 열리는 계기가 되는 책이었으면 하고 바란다. 그리고 한 문장이라도 감격이 있는 글이라면 더할 나위 없겠다. 책을 내는데 그것 만한 보람은 찾기가 어려울 것 같다.원고를 출판사에 넘기고 나니 아쉬움이 많이 남는다. 그 아쉬움은 질타와 지도편달의 영역으로 남긴다.

1 기초 이론편

연산 증폭기와 DAC의 기초 이야기



1-1. 연산 증폭기 들어가기 전, 이것저것 둘러 보기 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 1 2

1-2. 비교기, 증폭기 두 가지 성격의 연산 증폭기 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 22

1-3. 연산 증폭기의 이상적 조건과 특성들 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 32

1-4. 다른 각도로 본 오옴의 법칙 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 48

1-5. 키르히 호프의 전류법칙만 이해하자 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 52

1-6. 테브닌의 등가회로 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 58

1-7. 직류 V/I Source 주마간산 둘러 보기 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 64

1-8. 전압 팔로어 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 8 1

1-9. 가상단락(Imaginary Short)의 근거는 뭐지? ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 87

1-10. Sample & difference 회로(SAD)란? ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 90

1-1 1. CAP CHARGE란? ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 96

1-12. 보드선도(Bode diagram)는 도대체 어떻게 그리는 거야 ‥‥‥‥‥‥ 102

1-13. 반전증폭기 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 1 1 1

1-14. 가산기 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 120

1-15. FET 스위치 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 127

1-16. Meter Range란? ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 136

1-17. 차동증폭기 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 145

1-18. 비반전증폭기 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 171

1-19. 입력 바이어스전류 이해하기 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 175

1-20. 입력 오프셋전류는 뭐지? ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 180

1-2 1. 제너 다이오드 철저해부 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 184

1-22. 정전압회로 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 191

1-23. 반파정류회로 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 202

1-24. 전파정류회로 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 215

1-25. 정전류회로 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 234

1-26. 전류부스터 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 256

1-27. 부트스트랩 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 279

1-28. 슈미트 트리거 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 287

1-29. 적분기 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 295

1-30. AD565 부품 규격표 이해하기 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 300

1-3 1. AD7533 부품 규격표 이해하기 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 320

1-32. Multiplying DAC이란 뭐지 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 331

1-33. DAC 오차들 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 342



2 실전편

V/I SOURCE의 기초 이야기



2-1. 직류 V/I Source 들어가기 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 354

2-2. 직류 V/I Source의 전압인가방식 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 360

2-3. 직류 V/I Source의 Guard 체계 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 397

2-4. 계측기에서의 Kelvin Connection 적용 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 401

2-5. 직류 V/I Source의 전류인가방식 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 404

2-6. 직류 V/I Source의 궤환 속도(loop speed) ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 420



3 심화 이론편

연산증폭기 활용 교류이론



3-1. 전기전자 교류신호의 실효값과 평균값 차이 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 432

3-2. 데시벨(decibel/dB)과 -3dB ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 453

3-3. 리액턴스가 도대체 뭐지? ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 472

3-4. 용량성, 유도성 리액턴스 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 478

3-5. 저역통과필터(LPF : LOW PASS FILTER) ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 487

3-6. 고역통과필터(HPF : HIGH PASS FILTER) ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 492

3-7. 전기전자에서의 공진(共振)이란? ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 495

3-8. 공진주파수 공식 유도하기 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 499

3-9. 공진(共振)에서의 선택도 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 503

3-10. 퓨리에(Fourier) 급수의 기초 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 507

3-1 1. 오일러(Euler)공식 증명을 위한 배경지식 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 524

3-12. 오일러(Euler) 공식 간편하게 증명하기 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 531

3-13. 박사가 사랑한 오일러(Euler) 공식과 삼각함수를 자연지수함수가 ‥‥ 535

포함된 복소형식으로의 변환

3-14. 퓨리에 변환 예비과정 - 퓨리에 급수, 계수의 복소형식으로의 변환 ‥ 543

3-15. 복소 퓨리에 급수(complex fourier series)와 계수, ‥‥‥‥‥‥‥ 555

계산에 적용, 부분적분법이란?

3-16. 퓨리에 변환(fourier transform) ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 564

3-17. 퓨리에 변환(fourier transform) 예제와 sinc 함수 ‥‥‥‥‥‥‥ 573

3-18. 라플라스 변환(Laplace transform) ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 581

3-19. 라플라스 변환(Laplace transform), S-영역의 임피던스 ‥‥‥‥ 589

3-20. 플라스 변환(Laplace transform), 코일과 콘덴서의 ‥‥‥‥‥‥ 595

S-영역의 임피던스 구하기

3-21. 라플라스 변환(Laplace transform)의 장점 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 600

3-22. 발진기(oscillator)의 원리 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 607

3-23. Wien bridge 발진기 해석 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 615

3-24. 연산 증폭기 평균값 회로 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 622

3-25. 연산 증폭기 실효값 회로 : MULTI-EMITTER TRANSISTOR, ‥ 636

CURRENT MIRROR

3-26. 연산 증폭기 승산기, 제산기의 기초 다이오드방정식 ‥‥‥‥‥‥‥‥ 655

3-27. 연산 증폭기 승산기, 제산기의 기초..대수, 역대수증폭기 ‥‥‥‥‥‥ 662

3-28. 연산 증폭기 승산기, 제산기 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 666

3-29. 연산 증폭기 트랜지스터 대수증폭기 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 671

3-30. 연산 증폭기 실전용 트랜지스터 대수증폭기 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 675

3-31. 연산 증폭기 트랜지스터 역대수증폭기 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 679

3-32. 연산 증폭기 상용 IC 대수증폭기 해석 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 683



4 제어편

실용 디지털



4-1. TTL이 뭐지? TTL 내부구조 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 692

4-2. TTL 쇼트키(SCHOTTKY), 팬 아웃(FAN OUT) ‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 704

4-3. 사이리스터 종류 중 SCR 그리고 D FLIP-FLOP ‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 712

4-4. DECODER(복호기), 74LS138 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 730

4-5. COUNTER(계수기), 74LS161/163 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 740

4-6. MULTIPLEXER(다중화기), 74LS298 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 748

이용훈