3.2 전압으로 움직이는 스위치, 트랜지스터

앞 절에서 본 전구와 스위치 회로는 전기 회로다. 그런데 우리는 전자 회로라는 말도 자주 듣는다. 전자 회로도 전기 회로의 한 종류인데, 사람이 손으로 스위치를 누르는 대신 전압으로 전기의 흐름을 조절하는 부품이 들어간 회로를 말한다. 전자 회로에서는 이런 부품들이 회로 곳곳의 전압을 바꾸며 상태를 표현한다. 그 대표적인 부품이 트랜지스터다.

〈그림 3-4〉(a)는 물리적인 트랜지스터, (b)는 트랜지스터를 나타내는 기호이다.

트랜지스터는 조건에 따라 회로의 길을 잇거나 끊는다. 즉, 〈그림 3-1〉의 스위치와 비슷한 기능을 한다.

스위치는 사람이 손으로 눌러 물리적으로 길을 이어 전류를 흐르게 하거나, 떼어서 흐르지 않게 하는 부품이었다. 트랜지스터는 손으로 누르는 대신 전압을 쓴다. 〈그림 3-4〉(b)에서 B에 전압을 대어 주어 B의 전압을 높이면, 스위치가 닫힌 것처럼 C와 E가 이어져 전류가 흐른다. 이렇게 어떤 지점에 전압을 대어 주는 것을 전문 용어로 전압을 인가한다고 한다. 반대로 B에 전압을 인가하지 않아 B의 전압이 낮으면, C와 E가 끊어진다. 만약 위 트랜지스터의 C와 E 부분을 〈그림 3-1〉에서 스위치가 있던 자리에 각각 연결한다면, B에 전압을 인가하는지에 따라 전구가 켜지거나 꺼진다. B의 전압에 따라 트랜지스터가 C와 E 사이에서 스위치 역할을 하는 것이다. 꽤나 흥미로운 부품이다.

이제, 트랜지스터 두 개를 연결한 전자 회로를 살펴보자. 처음에는 다소 복잡해 보일 수 있지만, 모든 일이 늘 그렇듯 알고 나면 아무것도 아니니 천천히 이해해보길 바란다. 〈그림 3-5〉에서, 두 개의 트랜지스터가 연결되어 있고, A와 B는 전압을 인가하는 입력이고, out은 그 결과 전압이 높거나 낮게 정해지는 출력이다. 〈그림 3-5〉에서 각 지점의 전압이 어떻게 정해지는지 살펴보자.

T1 트랜지스터의 C는 〈그림 3-5〉에서 보듯 전원과 이어져 있어 전압이 늘 높다. 이 상태에서 1) 입력 A와 입력 B에 동시에 전압을 인가해 보자. 그리고, 그 결과 out의 전압이 높아질지, 낮게 남을지 상상해 보자.

천천히 분석해 보면 이렇다. 입력 A가 T1의 B에 전압을 인가하면 T1이 닫혀 C와 E가 이어진다. 그러면 T1의 E와 연결된 T2의 C도 전원과 이어져 전압이 높아진다. 이 상태에서 입력 B가 T2의 B에 전압을 인가하면 T2도 닫히고, 결국 out까지 전원과 이어진다.

정리하면, 입력 A와 입력 B에 동시에 전압을 인가하면 두 트랜지스터가 모두 닫혀 out이 전원과 이어지고, out의 전압이 높아진다 — 경우 1).

이번에는 입력 A에는 전압을 인가하지 않고, 입력 B에만 전압을 인가해 보자. T2는 닫히지만 T1이 열려 있어서 T2의 C가 전원과 이어지지 못한다. 그래서 out도 전원과 이어지지 못해 전압이 낮게 남는다 — 경우 2). 같은 방식으로 입력 A에만 전압을 인가하는 경우 — 경우 3), 둘 다 인가하지 않는 경우 — 경우 4), out의 전압이 어떻게 될지 생각해 볼 수 있다. 모든 경우는 아래 〈표 3-1〉에 정리되어 있다.

A	B	out	경우
0	0	0	4)
0	1	0	2)
1	0	0	3)
1	1	1	1)

앞에서 배운 대로 전압이 정해진 기준보다 낮을 때 0, 높을 때 1로 표현한 〈표 3-1〉의 내용을 보면, 〈그림 3-5〉의 두 개의 트랜지스터가 연결된 회로에서는, 입력 A와 입력 B에 동시에 전압을 인가했을 때만 out의 전압이 높아지고 나머지 경우에는 out의 전압이 낮게 남는다는 것을 알 수 있다.

여기서 눈여겨볼 점은 두 가지다. 하나는 입력 A와 B의 전압이 정해지면 out의 전압도 늘 같은 규칙에 따라 정해진다는 것이다. 다른 하나는 이렇게 트랜지스터로 만든 전자 회로가 전압의 조합으로 상태를 나타낼 수 있다는 것이다. 트랜지스터 하나로는 닫힘과 열림 두 가지 상태뿐이지만, 여기서는 두 개를 연결하자 네 가지 상태를 나타낼 수 있게 되었다.

지금까지, 트랜지스터, 그리고 트랜지스터가 연결된 전자 회로에 대해서 살펴보았다.

어쩌면, 갑작스러운 트랜지스터 회로 설명이 낯설게 느껴졌을 수도 있지만, 여기에는 이유가 있다. 곧 알게 되겠지만, 궁극적으로, 우리가 이해하려는 대상인 코드 아래 세상에 있는 칩은 수백억 개의 트랜지스터가 연결된 전자 회로이기 때문이다.