The experiments I’m introducing were conducted about three years ago, so the vividness of those moments might have faded a little. However, the most valuable discovery from that time was not just the fact that I completed the circuits, but that I got a true taste of the gap between theory and reality.

Typically, when creating variations in a circuit, the first element people look to is the resistor. I’ve previously shown examples using a xylophone as a resistive body. However, the most interesting harvest from this experiment (perhaps felt more strongly due to my lack of prior knowledge) was the change that occurred when swapping various capacitors.

In reality, there are so many different types of capacitors. Depending on their material and construction (polarized or not, degree of stability, etc.), and how they are connected, the dynamics of the circuit change significantly. The calculated values in an RC circuit are actually quite abstract figures; in a real-world environment, staying exactly at those numbers requires immense effort to prevent noise. For me, however, that discrepancy is exciting. As long as basic operation is guaranteed, all these unpredictabilities become meaningful.

While a change in resistance directly alters the frequency by slowing the flow of current, the capacitor not only sympathizes with that process but also becomes a key element in determining the timbre. Even with the same capacity, using a capacitor made of a different material changes the texture because the capacitor itself acts as a kind of filter. For those of us who handle circuits as musical material, this is an indispensable element.

Another thing that awakened my naivety was the role of feedback. My previous experience with feedback was primarily positive feedback in audio signals—a phenomenon where a specific frequency explodes and reinforces itself. Because I had focused mostly on unwanted howling or chaotic instability, adapting to the completely different nature of feedback found within a circuit was quite challenging. I wondered, “How can feedback create stability?” Believing that feedback always symbolized instability was a very one-dimensional thought.

Feedback in a circuit mainly takes the form of negative feedback, where the output suppresses the input. The structure of an inverter oscillator utilizes this very principle. By returning the output to the input to constantly flip the state, with the speed controlled by R and C, a steady oscillation is created. In other words, feedback here serves as a stabilizer that sustains the oscillation while keeping the system within a specific orbit. The diagram below shows an abstract form of feedback without R and C.

In the previous 4049 inverter experiment, I used ceramic capacitors to allow the voltage to swing between two points. When used to ‘copy’ and return a signal from a specific point, these are sometimes called ‘feedback capacitors.’ Since the 4049 lacks hysteresis, the transition between 0 and 1 is extremely sensitive and unstable. The numerous noises generated during this process mix into the output, which, from a tinkering perspective, becomes very interesting musical material. On the other hand, a Schmitt Trigger filters out such ambiguous noise sharply, making it more suitable for clean oscillator design rather than experimental purposes.

Furthermore, the 4049 has a random distribution of Vss and Vdd for each input, making the starting point difficult to predict. Without an initial connection, the voltage maintains a random value; the moment a connection is made, it starts operating from an already random voltage level. It’s a truly thrilling point.

A few more notes on inverters:

A series of inverters can create a delay, influenced by two main factors:

1. Capacitor values:
2. Gate latencies: Connecting an odd number of inverters in series is called a “ring oscillator.” A minute amount of time, measured in nanoseconds, is required for the signal to pass through each gate, depending on the IC chip’s design.

Note that an odd number of inverters must be connected for oscillation to occur. If an even number is connected, the output becomes latched to the same state as the input, and the circuit stays in one state without oscillating.

To create a distinct time delay audible to the ear in an analog circuit, a separate “clock” device is required. The gate latency method described above is closer to a phase shifter that subtly pushes the phase of the waveform, rather than a traditional delay, as it operates on a fleeting nanosecond scale.

지난번에 소개했던 실험은 벌써 3년쯤 전의 일이라 그때의 생생함이 조금은 흐려졌을지도 모르겠다. 하지만 이 실험을 통해 얻은 가장 귀중한 발견은 단순히 회로를 완성했다는 결과가 아니라, 이론과 실재 사이의 묘한 간극을 직접 맛보았다는 점이다.

보통 회로에 변화를 줄 때 가장 먼저 떠올리는 요소는 저항(Resistor)이다. 나 역시 자일로폰을 저항체로 활용해 그런 예시를 보여준 적이 있다. 하지만 이번 실험에서 얻은 가장 흥미로운 수확은(물론 내가 아는 것이 적어 더 놀랍게 느꼈겠지만) 다양한 커패시터(Capacitor)를 교체하며 일어나는 변화였다.

현실에는 너무나 많은 종류의 커패시터가 존재한다. 재료와 방식(극성 유무, 안정성 등)에 따라, 그리고 어떻게 연결되느냐에 따라 회로가 보여주는 다이내믹이 현저하게 변한다. RC 회로의 계산값은 사실 매우 추상적인 수치일 뿐이며, 실제 환경에서 그 숫자에 정확히 머무르게 하려면 노이즈 방지를 위해 엄청난 공을 들여야 한다. 하지만 나 같은 사람에게는 오히려 그 오차가 신나는 일이다. 대략이라도 작동이 보장되는 선 안에서는 이 모든 의외성이 의미를 갖기 때문이다.

저항의 변화가 전류의 흐름을 늦춰 주파수(Frequency)를 직접적으로 변화시킨다면, 커패시터는 그 과정에 동조할 뿐만 아니라 소리의 음색을 결정하는 요소가 된다. 같은 용량이라도 재료가 다른 커패시터를 쓰면 질감이 달라지는데, 이는 커패시터 자체가 일종의 필터 역할을 하기 때문이다. 회로를 음악적 재료로 다루는 이들에게는 놓칠 수 없는 소중한 요소다.

또 한 가지 나의 순진함을 일깨워준 것은 피드백(Feedback)의 역할이었다. 그동안 내가 경험한 피드백은 주로 오디오 신호의 포지티브 피드백(Positive Feedback), 즉 특정 주파수가 폭주하며 강화되는 현상이었다. 주로 원치 않는 하울링이나 카오스적인 불안정성에만 집중하다 보니, 회로 내부에서 만나는 전혀 다른 성격의 피드백에 적응하는 것이 꽤 어려웠다. “어떻게 피드백이 안정성을 만들어낼 수 있지?”라는 의문이 들었기 때문이다. 피드백이 늘 불안정성만을 상징한다고 믿었던 것은 아주 1차원적인 생각이었다.

회로에서의 피드백은 주로 출력이 입력을 억제하는 네거티브 피드백(Negative Feedback)의 형식을 취한다. 인버터 오실레이터의 구조 자체가 바로 이 네거티브 피드백의 원리를 이용한다. 출력을 다시 입력으로 되돌려 상태를 계속 반전시키고, 이 속도를 R과 C가 조절하며 일정한 진동(발진)을 만들어내는 것이다. 즉, 여기서의 피드백은 발진을 지속시키는 동시에 시스템을 특정 궤도 안에 머물게 하는 안정화 장치(Stabilizer) 역할을 한다. 아래 그림은 R과 C가 빠진 피드백의 추상적인 형태를 보여준다.

이전 4049 인버터 실험에서는 전압을 두 지점 사이에서 스윙하게 만드는 세라믹 커패시터를 사용했다. 신호를 특정 지점에서 ‘복사’하여 되돌리는 용도로 쓰일 때 이를 ‘피드백 커패시터’라고 부르기도 한다. 4049는 히스테리시스가 없기 때문에 0과 1 사이를 전환하는 과정이 매우 민감하고 불안정하다. 이 과정에서 발생하는 수많은 노이즈가 출력에 섞여 나오는데, 이는 팅커링의 관점에서 보면 매우 흥미로운 음악적 재료가 된다. 반면 슈미트 트리거(Schmitt Trigger)는 이런 모호한 노이즈를 칼같이 필터링해버리기 때문에 실험적인 목적보다는 정갈한 오실레이터 설계에 더 적합하다.

또한 4049는 각 입력의 Vss와 Vdd가 무작위로 분포되어 있어 시작 지점을 예측하기 어렵다. 초기 연결이 없는 상태에서는 전압이 무작위 값을 유지하다가, 연결되는 순간 이미 존재하던 무작위 전압 레벨에서 동작을 시작한다. 참으로 짜릿한 지점이다.

인버터에 대해 몇 가지만 더 덧붙이자면 다음과 같다.

인버터를 직렬로 연결하면 지연(Delay)을 만들 수 있으며, 여기에는 두 가지 요소가 영향을 미친다.

1. 커패시터 값:
2. 게이트 지연(Gate latencies): 인버터를 홀수 개로 직렬 연결한 것을 ‘링 오실레이터(Ring oscillator)’라고 한다. 신호가 각 게이트를 통과할 때마다 나노초(Nanoseconds) 단위의 미세한 시간이 걸리는데, 이는 IC 칩의 설계에 따라 결정된다.

이때 반드시 홀수 개의 인버터를 연결해야 발진이 일어난다. 짝수 개를 연결하면 출력이 입력과 같은 상태로 고정(Latch)되어 발진하지 않고 어느 한 상태에 머물게 된다.

아날로그 회로에서 귀로 들릴 정도의 확연한 시간 지연(Time delay)을 만들려면 별도의 ‘클럭(Clocks)’ 장치가 필요하다. 위와 같은 게이트 지연 방식은 지연이라기보다는 파형의 위상을 미세하게 밀어버리는 페이즈 시프터(Phase shifter)에 가깝다. 나노초 단위의 아주 찰나적인 지연이기 때문이다.