아날로그 전자공학

아날로그 전자공학(analogue electronics)는 신호가 보통 두 개의 레벨만을 갖는 디지털 전자공학과 대조적으로, 신호가 연속적으로 변하는 전자 시스템이다. 아날로그라는 용어는 신호와 그 신호를 나타내는 전압 또는 전류 사이의 비례 관계를 묘사한다. 아날로그라는 단어는 비례를 의미하는 그리스어  에서 유래했다.

 아날로그 신호 
아날로그 신호는 매체의 특정 속성을 사용하여 신호의 정보를 전달한다. 예를 들어, 아네로이드 기압계는 수축하고 팽창하는 상자 위의 바늘의 각위치를 신호로 사용하여 대기압의 변화 정보를 전달한다. 전기 신호는 전압, 전류, 진동수 또는 전체 전하를 변화시킴으로써 정보를 나타낼 수 있다. 정보는 에너지의 한 형태를 다른 형태로 변환하는 트랜스듀서(예: 마이크로폰)에 의해 다른 물리적 형태(소리, 빛, 온도, 압력, 위치 등)에서 전기 신호로 변환된다.

신호는 주어진 범위 내에서 어떤 값이라도 가질 수 있으며, 각각의 고유한 신호 값은 서로 다른 정보를 나타낸다. 신호의 모든 변화는 유의미하며, 신호의 각 레벨은 그것이 나타내는 현상의 서로 다른 레벨을 나타낸다. 예를 들어, 1볼트가 섭씨 1도를 나타내는 온도를 표시하는 데 신호가 사용된다고 가정해 보자. 그러한 시스템에서 10볼트는 10도를 나타내고, 10.1볼트는 10.1도를 나타낼 것이다.

아날로그 신호를 전달하는 또 다른 방법은 변조를 사용하는 것이다. 여기서는 어떤 기본 반송파의 속성 중 하나를 변경한다. 진폭 변조(AM)는 소스 정보에 의해 정현파 전압 파형의 진폭을 변경하는 것을 포함하며, 주파수 변조(FM)는 진동수를 변경한다. 위상 변조나 반송파의 위상을 변경하는 것과 같은 다른 기술도 사용된다.

아날로그 소리 녹음에서, 마이크로폰에 부딪히는 소리의 압력 변화는 그것을 통과하는 전류나 그것에 걸리는 전압의 상응하는 변화를 만들어낸다. 소리 부피의 증가는 동일한 파형이나 모양을 유지하면서 전류나 전압의 변동을 비례적으로 증가시킨다.

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

 고유 노이즈 
아날로그 시스템에는 예외 없이 무작위적인 방해나 변동인 노이즈가 포함되며, 일부는 원자 입자의 무작위적인 열 진동에 의해 발생한다. 아날로그 신호의 모든 변동은 유의미하기 때문에, 모든 방해는 원래 신호의 변화와 동일하므로 노이즈로 나타난다. 신호가 복사되고 재복사되거나 먼 거리로 전송됨에 따라, 이러한 무작위 변동은 더 커져서 신호 저하로 이어진다. 다른 노이즈 소스로는 다른 신호로부터의 누화나 잘못 설계된 부품 등이 있을 수 있다. 이러한 방해는 전자기 차폐와 저잡음 증폭기(LNA)를 사용하여 줄일 수 있다.

 아날로그 대 디지털 전자공학 

섬네일|USB와 같은 디지털 신호는 본질적으로 아날로그 신호이다.

정보가 아날로그와 디지털 전자공학에서 다르게 인코딩되기 때문에, 결과적으로 신호를 처리하는 방식도 다르다. 증폭, 필터링, 제한 등 아날로그 신호에 대해 수행할 수 있는 모든 작업은 디지털 영역에서도 복제될 수 있다. 모든 디지털 회로는 아날로그 회로의 규칙을 사용하여 디지털 회로의 동작을 설명할 수 있다는 점에서 아날로그 회아이기도 하다.

마이크로일렉트로닉스의 사용은 디지털 장치를 저렴하고 널리 보급되게 만들었다.

 노이즈 

아날로그 회로에 대한 노이즈의 영향은 노이즈 레벨의 함수이다. 노이즈 레벨이 높을수록 아날로그 신호는 더 많이 방해받아 서서히 사용하기 어려워진다. 이 때문에 아날로그 신호는 "우아하게 실패한다(fail gracefully)"고 말한다. 아날로그 신호는 매우 높은 수준의 노이즈가 있어도 여전히 알아들을 수 있는 정보를 포함할 수 있다. 반면에 디지털 회로는 특정 임계값에 도달할 때까지 노이즈의 존재에 전혀 영향을 받지 않으며, 그 지점에서 치명적으로 실패한다. 디지털 전기 통신의 경우, 오류 검출 정정 부호화 방식과 알고리즘을 사용하여 노이즈 임계값을 높이는 것이 가능하다. 그럼에도 불구하고 링크의 치명적인 실패가 발생하는 지점은 여전히 존재한다.Richard Langton Gregory, Even Odder Perceptions, p. 161, Psychology Press, 1994 .Robin Blair, Digital Techniques in Broadcasting Transmission, p. 34, Focal Press, 2002, .

디지털 전자공학에서는 정보가 양자화되어 있기 때문에, 신호가 일정 범위의 값 안에 머무는 한 동일한 정보를 나타낸다. 디지털 회로에서 신호는 각 논리 회로에서 재생성되어 노이즈를 줄이거나 제거한다. 아날로그 회로에서 신호 손실은 앰프로 재생성할 수 있다. 하지만 노이즈는 시스템 전체에 걸쳐 누적되며 증폭기 자체도 자신의 잡음 지수에 따라 노이즈를 추가하게 된다.Jon B. Hagen, Radio-Frequency Electronics: Circuits and Applications, p. 203, Cambridge University Press, 1996 .Jonathan Davidson, James Peters, Brian Gracely, Voice Over IP Fundamentals, Cisco Press, 2000 .

 정밀도 

신호가 얼마나 정밀한지에는 원래 신호에 존재하는 노이즈와 처리에 의해 추가된 노이즈를 포함한 여러 요인이 영향을 미친다(신호 대 잡음비 참조). 부품의 푸아송 잡음과 같은 근본적인 물리적 한계는 아날로그 신호의 해상도를 제한한다. 디지털 전자공학에서는 신호를 나타내기 위해 추가적인 자릿수를 사용하여 정밀도를 더 얻을 수 있다. 디지털 작업은 보통 정밀도 손실 없이 수행될 수 있으므로, 자릿수의 실제 한계는 아날로그-디지털 변환기(ADC)의 성능에 의해 결정된다. ADC는 아날로그 신호를 가져와서 일련의 이진수로 바꾼다. ADC는 온도계나 조도계와 같은 간단한 디지털 표시 장치에 사용될 수 있지만, 디지털 소리 녹음 및 데이터 준비에도 사용될 수 있다. 반면, 디지털 신호를 아날로그 신호로 바꾸는 데에는 디지털-아날로그 변환기(DAC)가 사용된다. DAC는 일련의 이진수를 가져와서 아날로그 신호로 변환한다. 연산 증폭기의 이득 제어 시스템에서 DAC를 흔히 볼 수 있으며, 이는 다시 디지털 증폭기와 필터를 제어하는 데 사용될 수 있다.

 설계 난이도 

아날로그 회로는 일반적으로 설계하기가 더 어려우며, 개념화하는 데 유사한 디지털 시스템보다 더 많은 기술을 필요로 한다. 아날로그 회로는 응용 분야가 하드웨어에 내장되어 있기 때문에 보통 수작업으로 설계된다. 반면 디지털 하드웨어는 응용 분야 전반에 걸쳐 공통점이 많으며 표준화된 형태로 대량 생산될 수 있다. 하드웨어 설계는 주로 반복되는 동일한 블록으로 구성되며 설계 프로세스는 고도로 자동화될 수 있다. 이것이 디지털 시스템이 아날로그 장치보다 더 흔해진 주요 이유 중 하나이다. 하지만 디지털 하드웨어의 응용은 소프트웨어/펌웨어의 기능이며 이를 만드는 것은 여전히 노동 집약적인 과정이다. 2000년대 초반부터 소프트웨어를 사용하여 아날로그 설계를 정의할 수 있는 일부 플랫폼이 개발되어 더 빠른 프로토타이핑이 가능해졌다. 또한 디지털 전자 장치가 현실 세계와 상호 작용하려면 항상 아날로그 인터페이스가 필요하다. 예를 들어, 모든 디지털 라디오 수신기는 수신 체인의 첫 번째 단계로 아날로그 프리앰프를 갖추고 있다.

아날로그 회로 설계는 SPICE와 같은 소프트웨어 회로 시뮬레이터의 출현으로 크게 수월해졌다. IBM은 1970년대에 ASTAP이라는 자체 시뮬레이터를 개발했는데, 이는 다른 시뮬레이터와 비교했을 때 특이한 성긴 행렬 회로 해석 방법을 사용했다.

 회로 분류 

아날로그 회로는 저항기, 축전기, 유도자로 구성된 완전히 수동적인 회로일 수 있다. 능동 회로에는 트랜지스터와 같은 능동 소자도 포함된다. 전통적인 회로는 집중 상수 소자, 즉 개별 부품으로 구축된다. 그러나 대안으로는 전송선로 조각으로 구축된 분포 정수 회로가 있다.

 같이 보기 
 아날로그 컴퓨터
 아날로그 신호

 각주