선형 회로

선형 회로(linear circuit)한국물리학회 물리학용어집 https://www.kps.or.kr/content/voca/search.php?et=en&find_kw=linear+circuit는 중첩 원리를 따르는 전자 회로이다. 이는 신호의 선형 결합인 ax1(t) + bx2(t)를 회로에 입력했을 때의 출력 F(x)가, 신호 x1(t)와 x2(t)를 각각 따로 입력했을 때 발생하는 출력들의 선형 결합과 같음을 의미한다.

이러한 회로의 출력 전압과 전류가 입력 전압과 전류의 선형 함수이기 때문에 선형 회로라고 불린다. 이러한 종류의 선형성은 직선 그래프의 선형성과는 다르다.

구성 요소의 값이 일정하고 시간에 따라 변하지 않는 일반적인 회로의 경우, 선형성의 또 다른 정의는 진동수 f인 사인파 입력 전압 또는 전류를 가했을 때, 회로의 모든 정상 상태 출력(모든 전자 부품을 흐르는 전류 또는 임의의 두 지점 사이의 전압) 또한 진동수 f인 사인파 형태를 띠는 것이다. 부품 값이 일정한 선형 회로를 선형 시불변(LTI) 회로라고 한다.

비공식적으로, 선형 회로는 전자 부품의 값(저항, 커패시턴스, 인덕턴스, 이득 등)이 회로 내의 전압이나 전류 수준에 따라 변하지 않는 회로를 말한다. 선형 회로는 전자 신호를 왜곡 없이 증폭하고 처리할 수 있기 때문에 중요하다. 선형 회로를 사용하는 전자 기기의 예로는 앰프가 있다.

 다른 정의 
선형성의 정의 방정식인 중첩 원리는 가법성과 동차성이라는 두 가지 성질과 동일하며, 때때로 다음과 같이 대체 정의로 사용된다.
 가법성
 동차성
즉, 선형 회로는 (1) 두 신호의 합을 입력했을 때의 출력이 두 신호를 각각 입력했을 때의 출력의 합과 같고, (2) 입력 신호 를 배만큼 조절하면 출력 신호 도 동일하게 배만큼 조절되는 회로를 말한다.

 선형 및 비선형 부품 
선형 회로는 내부에 비선형 전자 부품이 없는 회로이다. 선형 회로의 예로는 앰프, 미분기, 적분기, 선형 전자 필터, 또는 이상적인 저항기, 축전기, 유도자, 연산 증폭기(비포화 영역에서 작동 시) 및 기타 "선형" 회로 소자들로만 구성된 회로가 있다.

비선형 전자 부품의 예로는 다이오드, 트랜지스터, 그리고 철심이 포화되었을 때의 자기 철심 유도자 및 변압기가 있다. 비선형 방식으로 작동하는 회로의 예로는 주파수 믹서, 변조기, 정류기, 라디오 수신기의 검파기 및 디지털 논리 회로가 있다.

 중요성 
선형 시불변 회로는 아날로그 신호를 상호 변조 왜곡 없이 처리할 수 있기 때문에 중요하다. 이는 신호 내의 개별 주파수들이 분리된 상태를 유지하고 서로 섞이지 않아 새로운 주파수(헤테로다인)를 생성하지 않음을 의미한다.

또한 이해와 분석이 더 쉽다. 중첩 원리를 따르기 때문에 선형 회로는 선형 미분 방정식에 의해 지배되며, 푸리에 해석학 및 라라스 변환을 포함한 강력한 수학적 주파수 영역 기법으로 분석할 수 있다. 이러한 기법들은 이득, 위상, 공진 주파수, 대역폭, Q 인자, 극점, 영점 등의 용어를 사용하여 회로의 정성적 거동에 대한 직관적인 이해를 제공한다. 선형 회로 분석은 종종 공학용 계산기를 사용하여 수작업으로 수행할 수 있다.

반면, 비선형 회로는 일반적으로 닫힌 형식의 해(closed form solution)를 갖지 않는다. 정확한 결과를 원한다면 SPICE와 같은 컴퓨터 프로그램을 이용한 근사적인 수치 방법으로 분석해야 한다. 저항기, 축전기, 유도자와 같은 선형 회로 소자의 거동은 단일 수치(각각 저항, 전기 용량, 유도계수)로 명시될 수 있다. 이와 대조적으로 비선형 소자의 거동은 상세한 전달 함수에 의해 명시되며, 이는 그래프상에서 곡선으로 나타날 수 있다. 따라서 비선형 회로의 특성을 명시하려면 선형 회로보다 더 많은 정보가 필요하다.

"선형" 회로와 시스템은 전자 제조 분야 내에서 별도의 범주를 형성한다. 트랜지스터 및 집적 회로 제조업체는 흔히 제품 라인을 '선형'과 '디지털' 라인으로 구분한다. 여기서 "선형"은 "아날로그"를 의미한다. 선형 라인에는 연산 증폭기, 오디오 앰프, 능동 필터와 같이 신호를 선형적으로 처리하도록 설계된 집적 회로뿐만 아니라, 로그 증폭기, 아날로그 승산기, 피크 검출기와 같이 비선형 아날로그 기능을 구현하는 다양한 신호 처리 회로가 포함된다.

 소신호 근사 

트랜지스터와 같은 비선형 소자들은 작은 AC 신호가 가해질 때 선형적으로 거동하는 경향이 있다. 따라서 TV나 라디오 수신기와 같이 신호 레벨이 작은 많은 회로를 분석할 때, 비선형 소자를 선형 소신호 모델로 대체하여 선형 분석 기법을 사용할 수 있다.

반대로, 모든 회로 소자(심지어 "선형" 소자조차도)는 신호 레벨이 증가함에 따라 비선형성을 나타낸다. 다른 요인이 없다 하더라도, 회로에 대한 전원 공급 장치 전압은 대개 회로에서 출력되는 전압의 크기에 제한을 둔다. 그 한계를 넘어서면 출력 크기는 더 이상 입력에 비례하여 조절되지 않으며, 선형성의 정의를 충족하지 못하게 된다.

 같이 보기 
 중첩 원리
 전자 회로
 자기 회로
 전기 회로
 지나가는 반응
 논리 회로

 각주 

분류:선형 전자 회로
분류:아날로그 회로