컴퓨터를 만듭시다. 어때요~ 참 쉽죠? (4)

#4. 숨쉬기 운동

릴레이의 등장은 사람들에게 전기 신호의 제어를 좀 더 자유롭게 할 수 있도록 해 주었다. 그리고 많은 응용이 나타났다. 릴레이를 여러개 복합적으로 연결하기도 하고 릴레이 내부 구조를 조금씩 바꿔가면서 다양한 동작을 만들어 낸다.

오늘 여러분에게 들려줄 이야기도 저번에 이야기한 릴레이 회로를 살짝 바꾸고 릴레이 밖의 연결을 살짝 바꾸어서 새로운걸 만드는 것에 대한 내용이다.

위 그림을 보면 B 스위치가 저번에 이야기 했던 릴레이 회로와는 반대로 연결되어 있다. 보통 릴레이는 B 스위치가 열려 있는 것이 기본 상태인 것에 비해 위 그림에서 B 스위치는 평소에 닫혀 있다. 그래서 A 스위치가 열려 있을 때는 전류가 흘러 전등이 켜진다. 반면에 A 스위치가 닫히게 되면 전자석에 자성이 생기면서 B 스위치가 떨어지고 전등에 불은 꺼진다. A 스위치를 닫는 것은 B 스위치를 같이 닫는 것이 아니라 이미 닫혀 있는 B 스위치를 여는 역할을 하는 것이다. 다시 말해, A 스위치의 입력과 B 스위치를 통한 출력이 반대로 이루어 진다. 즉, 1이 입력으로 들어오면 출력은 0이고, 입력이 0이면 출력이 1이 나온다. 무언가 떠오르지 않는가? 위 그림이 인버터 회로의 원리다.

인버터란 말 그대로 입력 신호를 반전해서 출력해주는 회로다.

1 → 0
0 → 1

인버터는 회로도 상에서 아래의 기호로 표시된다.

인버터의 기호는 위 두 개다. 정식 기호는 왼쪽에 있는 삼각형과 앞에 작은 동그라미가 붙은 기호인데, 인버터라는 것이 다른 소자에 붙어서 출력 신호를 반전시키는 것에 많이 쓰이다 보니 매번 삼각형과 원을 그리는 것이 복잡하고 난잡해 보였는지 그냥 오른쪽 처럼 작은 동그라미 하나만 붙여도 인버터로 해석한다.

물론 위 방법 외에도 인버터를 만드는 방법은 여러가지가 있다. 나는 단지 앞에서 이야기한 내용과 연결성을 중시해서 앰플리파이어로 인버터를 만드는 방법을 설명한 것이다.

디지털 세상에서 인버터는 참 중요한 역할을 많이 한다. 앞으로 몇 회간 계속될 이야기에서 인버터는 많은 역할을 할 것이니 인버터의 활약을 기대해 주시기 바란다.

인류의 역사에서 한 명의 천재가 역사를 바꾼 사례는 종종 찾아볼 수 있다. 기술의 발전에서 한 사람의 천재적인 발상이 기술을 발전을 획기적으로 도약시킨 사례는 아주 많이 찾아볼 수 있다. 이번에 이야기할 내용도 그 중 하나다.

피드백 회로가 언제 처음 발견되었는지는 알 수 없다. 어쩌면 전기 회로의 시작과 함께 시작했을 수도 있고 전기 회로가 어느 정도 발전을 이룬 다음에 발견 되었을 수도 있다. 분명한 것은 피드백 회로를 이용해서 대부분의 디지털 회로가 구성된다는 것이고, 디지털 회로는 컴퓨터를 구성하는 소자의 기본이 된다는 것이다. 그러므로 피드백 회로는 컴퓨터를 이해하기 위해 꼭 알아두어야 한다.

피드백 회로란 무엇인가? 구구절절 설명할 수도 있겠지만 이번 이야기에서 설명하고자 하는 회로를 바로 보여주겠다.

뭔가 전선의 연결이 좀 이상하다. 지금까지 이야기에서 나왔던 전기 회로들은 전부 전지를 기준으로 입력과 출력이 명확히 구분되어 있었는데, 위 그림에서 보면 출력이 다시 입력으로 들어간다.

인버터가 있는 회로이긴 한데 인버터의 출력이 한 바퀴 돌아서 다시 입력으로 들어간다. 만약 인버터의 출력이 0이라면 0이 다시 입력으로 들어가기 때문에 1이 출력으로 나온다. 하지만 출력으로 나온 1은 다시 인버터의 입력으로 들어간다. 인버터의 출력은 0이다. 0은 다시 입력으로 들어가고 1이 나온다. 위 회로의 출력은 계속해서 0과 1이 반복해서 나온다.

위에서 본 인버터는 내부에 전자석이 들어있다. 전자석의 자성의 유지되는 시간에 따라 0과 1이 유지되는 시간이 달라질 것이다.

출력으로 나오는 전압을 시간 흐름에 따라 디지털 그래프로 그리면 아래 그림과 같이 그려진다.

주기적으로 0과 1이 반복된다. 주기적으로 반복되는 전압 신호를 사람이 스위치를 눌렀다 뗐다 하는 것이 아닌 전기 소자 스스로 만들어 낼 수 있게 된것이다. 이것이 가능해 짐으로 인해서 출력 부분에 적절한 회로를 달아 특정한 동작을 스스로 하는 전자 회로를 만들어 낼 수 있게 된 것이다. 이처럼 주기적인 전압 펄스를 내 보내 주는 전기 소자를 오실레이터라고 부른다. 실제 쓰이는 오실레이터는 이렇게 전자석을 이용해 만든것이 아니라 크리스탈을 이용해 만든다. 하지만 오실레이터의 기본 원리는 오늘 내가 여러분에게 이야기 해준 내용이다.

릴레이 스위치의 구성을 살짝 바꿔서 인버터를 만들고 인버터에서 전선을 피드백으로 연결하여 스스로 동작하는 오실레이터를 만들어 냈다. 이야기를 거듭할 수록 계속해서 기술은 진화하고 있다. 다음엔 또 무엇이 만들어 질것인가? 흥미진진하지 않은가?