개폐회로는 일명 이산회로, 논리회로 혹은 조합, 순서회로라 부르며 이는 연속회로이론과는 전혀 다른 현대 전기공학의 기초분야인 회로이론의 일부를 형성하고 있는 새로운 학문이다. 즉 연속회로이론에서 취급하는 정상상태에서의 회로의 입출력신호는 주어진 시간영역에서 단속현상이 없는 연속적인 파형이였으나 개폐회로이론에서는 그 회로의 입출력 신호를 어떤 종류의 파형보다 오히려 이산적으로 정의된 입출력치로 대응시키거나 회로자체가 주어진 시간 영역에서 고속개폐현상으로 인한 유한개의 내부상태로 나타내는 것이 그 특징이다. 앞으로 기술한 내용은 필자가 지난 수년간 서울대학교 전기공학과 및 성균관대학교 전자공학과 4학년 학생들에게 강의한 내용을 현장전기기술자들이 이해할 수 있도록 다소 보충한 것이다.
회로망을 해석하는데는 i) 지로해석법, ii) 루우프해석법, iii) 메슈해석법, iv) 마디해석법, v) 컷세트해석법및 vi) 상태공간해석법 등이 사용됨은 이미 알고 있다. 다루는 회로가 비교적 간단한 구성의 선형, 시불변 회로망이고 또한 종이와 연필로 회로망해석을 수행하여야 될때에는 익혀온 이들 해석법을 관례대로 따르면 될 것이나, 다룰려는 회로망이 대형인 복잡한 구조의 것이든지 혹은 비선형소자, 시변소자 등을 포함하는 경우에는 독립회로방정식들을 체계있게 세워 나가는데에도 어려움이 있거니와, 설혹 회로방정식군을 세웠다 하드라도 이들을 풀어 나가는데에도 이젠 우리가 할 수 있는 능력한계를 느끼게 된다. 전자계산기가 스스로 독립성을 지닌 필요한 개수의 회로망방정식들을 작성하고, 또한 풀이도 요구되는 특성을 갖는 회로망을 설계하여주면, 많은 수고와 번거로움이 덜어진다. 이러한 뜻에서 전산기의 활용에 의한 회로망의 해석, 설계 (computer oriented network analysis and synthesis)이론이 바람직하다. 여기서는 이러한 전산기의 사용에 의한 회로망의 해석, 설계이론의 기초가 되는 부분을 가려서 위상 그래프이론에 따른 회로망 해석방법을 해설한다.
회로망이론 및 시스템의 관심분야는 이론과 실제 및 새로 출현하는 기술과 연관하는 분야이며 다음과 같이 구분할 수 있다. 1)회로와 시스템의 해석과 설계에 대한 새로운 개념과 접근방법이다. 회로와 시스템은 대형회로와 시스템 집적회로를 포함한 디지탈 아날로그 소리드스테이트회로 수동 및 능동필터, 집중 및 마이크로웨이브회로망, 비선형 및 시변회로와 시스템, 그라프이론과 응용, 아날로그와 디지탈 신호로세싱시스템, 다차충필터에 관한 것. 2)컴퓨터협조기술로서 여기에는 해석, 설계, 레이아웃, 회로와시스템의 시험과 제작, 그리고 신산법과 사용자 오리엔트된 언어가 포함된다. 3)신호프로세싱, 통신, 계장과 제어에 있어서 모델화, 해석, 응용을 포함하는 신장치와 회로 4)생물학적 경제학적 시스템의 회로개념과 기술의 응용 등이다.
Chua 회로는 어트렉터와 다양한 분기를 나타내는 간단한 전자 회로로 2개의 캐패시터, 인덕터, 선형 저항 그리고 비선형 저항으로 구성되어 있다. 본 논문에서는 두 개의 동일한 Chua 회로를 이용하여 송신부와 수신부를 구성하고 이 사이에 등가 손실 전송선로를 카오스 동기화 및 암호화 통신 방법에 대하여 연구하였다. 손실 등가 전송 시스템의 동기화는 결합 동기 이론을 적용하기 곤란하기 때문에 구동동기 이론과 결합 동기 이론을 결합한 구동-결합 동기 이론을 제안하였다. 두 개의 동일한 Chua 회로에 등가 손실 전송 선로를 두어 전송로를 구성한 후 송신부와 전송선로 사이는 구동-결합 동기 이론을, 전송선로와 수신부 사이는 결합 동기 이론을 적용한 동기화 방법을 제시하였다. 손실 등가 전송 선로를 가진 Chua 회로의 카오스 암호화 방법은 송신부에서 카오스 신호화 정보 신호를 가산기를 이용하여 합성한 후 수신부에서 이들 신호를 분리하는 복조 방법을 제안하였다.
회로 이론은 전기 및 전자 공학 분야에서 가장 기본이 되는 다양한 회로의 해석과 설계를 체계화한 학문으로 회로 이론 교과목은 전기 및 전자 공학도라면 반드시 습득하도록 4년제 대학을 기준으로 학부 2학년에 한 학기 내지는 2 학기에 걸쳐 전공 교과목으로 편성되어 있다. 또한 학생들이 회로 이론에 대한 이해도를 높이고, 실제 회로를 구성한 실험을 통하여 회로 설계에 대한 기술 및 응용력을 습득할 수 있도록 하는 실험 교과목이 이론 교과목을 뒷받침하기 위해 동반 편성되고 있다. 본 논문에서는 회로 이론을 뒷받침하는 실험 교육에 대한 학습 효과를 높이기 위해 전기회로 설계 및 실험 교과목에서 시행하고 있는 수업 방법에 대한 사례 연구에 대해 기술한다. 이를 위해 이론 학습, 시뮬레이션, 실험 및 설계 프로젝트 등이 복합적으로 구성된 15주 수업 모형을 제안한다. 제시된 수업 모형에서는 이론을 보완하기 위한 시뮬레이션과 사전 실험 준비 과정이 강화되고, 공학 엔지니어로서의 실질적인 회로 설계 능력을 배양하기 위한 설계 프로젝트가 도입되어 운영된다. 5년 동안의 운영 결과는 제안된 모형이 효용성이 있음을 보여준다.
회로이론의 분야는 꾸준히 성장하여 왔고 System modeling과 system analysis가 새로운 분야로서 등장되어 IEEE에서도 1972. 9. 18. Circuits group를 circuits & Systems Society로 개칭하게 되었다. 회로이론과 그 기교는 비단 전기 및 전자공학에만 적용되는것이 아니라 대시스템분야, 생의학분야, 경제분야에도 공히 적용될 수 있다. 본고에서는 회로 및 시스템분야에 있었던 주요 연구경향을 1974 IEEE International Symposium on Circuits and System에 근거를 두고 미국중심으로 살펴보고 국내 전기 및 전자공학회지를 추적하여 최근의 국내 및 국외 연구동향에 대하여 알아보고자 한다.
현대 사회의 기술 발달에 따라서 회로의 집적도 대비 이용하는 주파수가 매우 높아지고 있다. 즉, 회로의 이용 주파수가 높아짐에 따라서 파장이 신호를 전달하는 전선만큼 짧아져 기존의 회로이론을 기반으로 하는 집중 정수 회로적 관점으로 해석할 수 없다. 따라서 전송선로 이론에 따라 해석하여야 하지만, 최근 전자기기들은 높은 집적도나 여러 모듈(Module)을 종합해서 만들기 때문에 전기적 특성이 일정한 전송선로의 이론을 적용하기가 힘들며, 따라서 이는 불연속을 고려한 전송선로의 분석이 이루어져야 함을 시사한다. 이에 본 논문에서는 전송선로에서 불연속 구간이 존재할 경우 기존의 전송선로 이론을 적용한 전기파라미터 변환에 미치는 영향을 알아보기 위해서 불연속 구간이 존재하는 마이크로 스트립 구조를 설계해 VNA(Vector Network Analyzer)를 이용해서 산란계수(S-Parameter)를 측정 및 분석하였다.
본 논문에서는 조합 다치논리 회로를 구성하는 이론을 제시하였다. 먼저 조합 다치논리 회로구성은 입력되는 변수를 기준으로 하여 셀을 구성한 후 이를 확장하여 일반적인 경우에 까지 적용하도록 하였으므로 구성절차가 단순하고 규칙적이다. 본 논문에서 제시한 다치논리 회로구성이론은 규칙성, 간단성, 모듈성의 특징을 가지며, 특히 다치논리 회로에 입력되는 변수가 증가되는 경우 다치논리 회로 구성은 확장성을 갖는다.
본 논문에서는 RLCG 전송선로를 가진 Chua 회로에서의 카오스 동기화 방법에 대하여 연구하였다. 두 개의 동일한 Chua 회로에 전송 선로를 두어 RLCG 전송로를 구성한 후 송신부와 전송선로 사이는 구동-결합 동기 이론을, 전송선로와 수신부 사이는 결합 동기 이론을 적용한 동기화 방법을 제시하였으며, RLCG 전송 선로를 가진 Chua 회로의 카오스 동기화는 전송 선로의 L과 C 영향에 의한 시간 지연이 있는 일반화된 동기화가 이루어짐을 확인하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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