반도체 설계에서의 논리 회로와 아날로그 회로의 차이는 무엇인가요?
반도체 설계에서 논리 회로와 아날로그 회로의 차이점이 무엇인지 알고 싶습니다. 각각의 특징과 적용 분야를 비교하여 설명해주세요.
- 개고수(개발고수)가 될 거야!
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전자 회로의 조합 논리: 아날로그와 디지털
EOH·2023년 3월 20일
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⏰ 아날로그와 디지털의 차이
아날로그와 디지털의 가장 큰 차이는 연속적이냐, 이산적이냐의 차이이다.
'이산적'이라는 뜻은 서로 단절되는 또는 그런 것. 연속되는 것과 반대되는 것으로 0, 1, 2, 3 따위와 같이 서로 단절되는 값들을 이르는 말이다.
출처: 네이버 국어사전
연속적이냐 이산적이냐의 차이는 정확도에서 찾아볼 수 있다.
아날로그는 연속적이기 때문에 정확한 값을 알 수 없다. 예를 들어 눈금자를 이용해 무언가의 길이를 잴 때 눈금에 정확하게 걸려있지 않으면 정확한 길이를 알 수 없다. 하지만 디지털은 끊어진 값들로 이루어져있기 때문에, 즉 이산적이기 때문에 정확한 값을 측정할 수 있다. 예를 들어 손가락으로 수를 세는 것은 디지털이라고 할 수 있다.
📽️ 아날로그에서 디지털으로의 변환
1️⃣ 아날로그를 디지털로 변환하는 이유
안정성
디지털을 이용한 이산적인 장치는 판정기준이 있어 아날로그보다 정확도가 높다. 즉 중간값이 없기 때문에 항상 정확한 값을 가르킨다. 정확도가 높은 안정적인 장치를 만들기 위함이 첫 번째 이유이다.
효율성
아날로그를 이용해 정확한 측정을 할 수 있는 방법이 있다. 눈금자를 아주 크게 만드는 것이다. 그럼 최대한 많은 값을 정확하게 표현할 수 있을 것이다. 하지만 물리적으로 어려움이 있고, 이 큰 눈금자를 이동시키며 계산을 하는 컴퓨터를 만들었다고 쳐도 에너지를 엄청나게 많이 소비할 것이다.
하지만 전자(electron)를 움직여 이산적인 계산을 하는 디지털장치를 만든다면 하드웨어 크기를 작게 만들 수 있다. 크기가 작아질수록 전자의 이동범위가 작아지므로 필요한 에너지양이 줄어들어 효율성이 높은 장치를 만들 수 있다.
2️⃣ 아날로그를 디지털로 바꾸는 방법
아날로그는 표본화 ➡️ 양자화 ➡️ 부호화를 거쳐 디지털 신호로 변환된다.
표본화
아날로그는 전이함수로 나타낼 수 있다. 전이함수란 실제 세계에서 벌어지는 현상을 표현한 함수를 의미한다. 이 아날로그 파형의 표본을 취하는 것을 표본화라고 한다.
양자화
양자화는 추출한 샘플링 신호의 레벨의 단계를 나누는 과정이다.
아래 그림은 게인 또는 곡선이 가파른 정도로 게인을 조절하는 모습이다. 게인이 특정값으로 고정되어 있을 때 입력값이 정해진 특정값과 다르면 왜곡이 발생한다. 이 왜곡은 이산적인 판정기준이 되는 문턱값(threshold)가 된다.
증폭 전이 함수에 대한 게인(gain)의 효과 (한 권으로 읽는 컴퓨터 구조와 프로그래밍, 조너선 스타인하트, 책만, 99p)
부호화
양자화로 나눈 레벨에 속한 값을 이진수로 변환하는 과정
아날로그가 디지털 신호로 변환되는 과정 (출처 :devmoon.log )
🕹️ 10진 숫자 대신 비트를 사용하는 이유
이쯤 되면 자연스럽게 컴퓨터가 10진 숫자가 아닌 비트를 사용하는지 궁금해질 것이다. 간단하게 말하면 10가지 문턱값을 구분하는 방법을 만들기가 쉽지 않기 때문이다.
컴퓨터는 전류를 끊는 차단, 전류를 흘리는 포화 두 가지 현상을 값으로 이용한다. 현재 '오류'도 하나의 신호로 보는 3진법, 4진법 반도체 등이 계속 연구되고 있다고 한다.
