4 기본 논리게이트 IT CookBook, 디지털 논리회로

학습목표 논리 게이트와 논리 레벨의 기본 개념에 대해 알아본다. 기본 논리 게이트들의 동작 원리 및 진리표, 게이트 기호들에 대해 알아본다. 정논리와 부논리에 대해 알아본다. 게이트들의 전기적인 특성에 대해 알아본다.

목 차 1. 논리 레벨 2. NOT 게이트와 버퍼 게이트 3. AND 게이트 4. OR 게이트 5. NAND 게이트 6. NOR 게이트 7. XOR 게이트 8. XNOR 게이트 9. 정논리와 부논리 10. 게이트의 전기적 특성

Section 01 논리 레벨 TTL과 CMOS 논리 레벨 정의영역 TTL CMOS Transistor

Section 02 NOT 게이트와 버퍼게이트 1. NOT 게이트 한 개의 입력과 한 개의 출력을 갖는 게이트로서 논리 부정을 나타낸다. X F 1 진리표 논리회로 기호 동작파형 논리식 스위칭 회로 IC 7404 트랜지스터 회로

Section 02 NOT 게이트와 버퍼게이트 2. 버퍼 버퍼(buffer)는 입력된 신호를 변경하지 않고, 입력된 신호 그대로를 출력하는 게이트로서 단순한 전송을 의미한다. 입력 신호가 1인 경우에는 출력 신호는 1이 되고, 입력 신호가 0인 경우에는 출력 신호는 0이 된다. X F 1 논리 기호 진리표 동작파형 논리식 IC 7407 핀 배치도

Section 02 NOT 게이트와 버퍼게이트 3상태(tri-state) 버퍼 출력이 3개 레벨(High, Low, 하이 임피던스) 중의 하나를 갖는 논리소자 X F 1 Hi-Z 진리표 논리 기호 IC 74125 핀 배치도 X E F 1 Hi-Z 논리 기호 진리표 IC 74126 핀 배치도

Section 03 AND 게이트 AND 게이트의 기본 개념(2입력) 입력이 모두 1(on)인 경우에만 출력은 1(on)이 되고, 입력 중에 0(off)인 것이 하나라도 있을 경우에는 출력은 0(off)이 된다. X Y F 1 논리회로 기호 진리표 동작파형 논리식

Section 03 AND 게이트 AND 게이트의 회로 표현과 IC 스위칭 회로 IC 7408 트랜지스터 회로

Section 03 AND 게이트 AND 게이트의 기본 개념(3입력) X Y Z F 1 동작파형 진리표 논리회로 기호 논리식

Section 04 OR 게이트 OR 게이트의 기본 개념(2입력) 입력이 모두 0인 경우에만 출력은 0이 되고, 입력 중에 1이 하나라도 있으면, 출력은 1이 된다. X Y F 1 논리회로 기호 진리표 동작파형 논리식

Section 04 OR 게이트 OR 게이트의 회로 표현과 IC 스위칭 회로 IC 7432 트랜지스터 회로

Section 04 OR 게이트 OR 게이트의 기본 개념(3입력) X Y Z F 1 동작파형 진리표 논리식 논리회로 기호

Section 05 NAND 게이트 NAND 게이트의 기본 개념(2입력) 입력이 모두 1인 경우에만 출력은 0이 되고, 그렇지 않을 경우에는 출력은 1이 된다. 이 게이트는 AND 게이트와는 반대로 작동하는 게이트로서, NOT AND의 의미로 NAND 게이트라고 부른다. X Y F 1 진리표 논리회로 기호 동작파형 논리식

Section 05 NAND 게이트 NAND 게이트의 기본 개념(3입력) X Y Z F 1 동작파형 진리표 논리식 1 동작파형 진리표 논리식 논리회로 기호

Section 05 NAND 게이트 NAND 게이트의 IC IC 7400 IC 7410

Section 06 NOR 게이트 NOR 게이트의 기본 개념(2입력) 입력이 모두 0인 경우에만 출력은 1이 되고, 입력 중에 하나라도 1이 있는 경우는 출력은 0이 된다. 이 게이트는 OR 게이트와는 반대로 작동하는 게이트로서, NOT OR의 의미로 NOR 게이트라고 부른다. X Y F 1 진리표 논리회로 기호 동작파형 논리식

Section 06 NOR 게이트 NOR 게이트의 기본 개념(3입력) X Y Z F 1 동작파형 진리표 논리회로 기호 논리식

Section 06 NOR 게이트 NOR 게이트 IC IC 7402 IC 7427

Section 07 XOR 게이트(Exclusive-OR gate) 입력 중 홀수 개의 1이 입력된 경우에 출력은 1이 되고 그렇지 않은 경우에는 출력은 0이 된다. 2-입력 XOR 게이트의 경우, 두 개의 입력 중 하나가 1이면 출력이 1이 되고, 두 개의 입력 모두가 0이거나 또는 두 개의 입력 모두가 1이라면 출력은 0이 된다. X Y F 1 논리회로 기호 진리표 동작파형 논리식

Section 07 XOR 게이트(Exclusive-OR gate) AND-OR 게이트로 표현 IC 7486

Section 07 XOR 게이트(Exclusive-OR gate) Y Z F 1 동작파형 진리표 논리회로 기호 논리식

Section 08 XNOR 게이트(Exclusive-NOR gate) 입력 중 짝수 개의 1이 입력될 때 출력이 1이 되고, 그렇지 않은 경우에는 출력은 0이 된다. 출력값은 XOR 게이트에 NOT 게이트를 연결한 것이므로 XOR 게이트와 반대이다. 2-입력 XNOR 게이트의 경우 두 개의 입력이 다를 때 출력이 0이 되고, 두 개의 입력이 같으면 출력은 1이 된다. X Y F 1 진리표 ⊙ 동작파형 논리식 논리회로 기호

Section 08 XNOR 게이트(Exclusive-NOR gate) Y Z F 1 동작파형 진리표 ⊙ 논리식 논리회로 기호 IC 74266

Section 09 정논리와 부논리 논리 개념 정논리 AND = 부논리 OR 전압레벨 정 논리 부 논리 +5V High=1 Low=0 Low=1 X Y F L H X Y F 1 X Y F 1 전압레벨 정논리 AND 부논리 OR

Section 09 정논리와 부논리 정논리 NAND = 부논리 NOR 표현 방법이 다를 뿐 실제로 정논리와 부논리는 논리적으로는 같다 X Y F L H X Y F 1 X Y F 1 전압레벨 정논리 NAND 부논리 NOR

Section 09 정논리와 부논리 정논리와 부논리간의 게이트 대응 정논리 ↔ 부논리 AND OR XOR XNOR NAND NOT

Section 10 게이트의 전기적 특성 IC(Integrated Circuit: 집적 회로) IC 특성 다수의 논리 게이트를 집적시켜 만든 칩(chip) 재료에 따라 특성이 기능이 정해짐 TTL 계열, ECL 계열, CMOS 계열 IC 특성 전력소모 : 게이트가 동작할 때 소모되는 전력량 지연시간 : 신호가 입력되어서 출력될 때까지의 시간을 말하며, 게이트의 동작 속도를 의미 팬-아웃 : 하나의 게이트의 출력으로부터 다른 여러 개의 입력들로 공급되는 전류 정상적인 동작으로 하나의 출력이 최대 몇 개의 입력으로 연결되는가를 나타낸다. 잡음여유도 : 최대로 허용된 잡음 마진

Section 10 게이트의 전기적 특성 1. 전파지연시간(gate propagation delay time) 신호가 입력되어서 출력될 때까지의 시간을 말하며, 게이트의 동작 속도를 나타낸다.

Section 10 게이트의 전기적 특성 주요 디지털 IC 계열별 특성표 VOH (min) [V] VOL VIH VIL IOH (max) [ns] VOH (min) [V] VOL VIH VIL IOH [mA] IOL IIH [A] IIL 7400 22 15 2.4 0.4 2 0.8 -0.4 16 40 -1.6 74S00 4.5 5 2.7 0.5 -1 20 50 -2 74LS00 8 74ALS00 11 3 -0.1 74F00 4.3 2.5 -0.6 74HC00 23 3.84 0.33 3.15 0.9 -4 4 74AC00 6.5 4.4 0.1 1.35 -75 75 74ACT00 9 7 tPHL : L에서 H로 변할 때의 전파지연시간 tPLH : H에서 L로 변할 때의 전파지연시간 VOH : 논리 레벨 H일 때 출력 전압 VOL : 논리 레벨 L일 때 출력 전압 VIH : 논리 레벨 H일 때 입력 전압 VIL : 논리 레벨 L일 때 입력 전압 IOH, IOL, IIH, IIL : 위와 같을 때 전류

Section 10 게이트의 전기적 특성 2. 전력소모(power dissipation) 게이트가 동작할 때 소모되는 전력 3. 잡음여유도(noise margin) 디지털 회로에서 데이터의 값에 변경을 주지 않는 범위 내에서 최대로 허용된 Noise Margin을 의미. 입출력 전압 범위

Section 10 게이트의 전기적 특성 LS-TTL의 입출력 레벨 입력신호 X(신호+잡음) 출력신호 F

Section 10 게이트의 전기적 특성 4. 팬-인(fan-in), 팬-아웃(fan-out) 팬-아웃은 1 개의 게이트에서 다른 게이트의 입력으로 연결 가능한 최대 출력단의 수를 의미. 팬-인은 1 개의 게이트에 입력으로 접속할 수 있는 단수를 의미. 출력이 H 레벨일 때 출력이 L 레벨일 때

Section 10 게이트의 전기적 특성 5. 싱크전류(sink current)와 소스전류(source current) 싱크전류 : 출력 쪽으로 전류가 흘러 들어간다는 의미 소스전류 : 출력에서 바깥으로 전류가 흐른다는 의미 소스전류로 점등 싱크전류로 점등 74시리즈 TTL의 경우에 많은 칩에서 싱크전류는 16mA까지 가능하며, 소스전류는 0.25mA 이하다

Section 10 게이트의 전기적 특성 높은 팬-아웃 IC를 LSI 출력측에 접속하기 위한 소자로서 74LS06, 74LS07과 같은 버퍼를 사용한다. 이들은 게이트에 외부로부터 공급되는 싱크전류를 40mA까지 허용하며, 게이트가 공급하는 소스전류는 0.25mA다. 싱크 전류로 점등 소스전류로는 점등 안됨

Section 10 게이트의 전기적 특성 6. 풀-업(full-up), 풀-다운(full-down) 입력레벨의 불확실성을 제거하여 정확한 신호를 얻기 위하여 사용하는 저항 풀-업 저항 : 전원 쪽으로 연결할 때 사용 풀-다운 저항 : 접지 쪽으로 연결할 때 사용 적절한 풀-업, 풀-다운 저항으로서는 3~10KΩ을 사용 풀-업 저항을 사용하지 않으면 불확실한 입력신호가 될 수 있다.

Section 10 게이트의 전기적 특성 풀-업 저항 풀-다운 저항

Section 10 게이트의 전기적 특성 7. IC 계열별 특징 디지털 IC : TTL (Transistor Transistor Logic), CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) TTL : BJT와 diode로 구성 CMOS : NMOS와 PMOS FET로 구성 CMOS의 장점 : TTL에 비해 소비전력이 적고 사용전압 범위가 넓다 CMOS의 단점 : TTL에 비해서 속도가 떨어진다. 고속의 CMOS IC가 개발되어 TTL과 비슷한 보급 성향을 보이고 있다. TTL 중에서는 74 계열 외에 군용과 같이 열악한 환경에서도 동작할 수 있도록 개발된 54 계열이 있다. 74 계열의 작동 온도 범위 : 0~70℃ 54 계열은 작동 온도 범위 : -55~125 ℃ TTL은 LS(low power-schottky), F(fast) 타입이 CMOS는 4000B 계열, HC(high speed CMOS) 타입이 주로 사용된다.

Section 10 게이트의 전기적 특성 8. IC 패키지 PCB(Printed Circuit Board)에 장착하는 방법에 따라 삽입 장착(through-hole mounted)형과 표면 실장(surface-mounted)형으로 구분 삽입 장착형 IC는 PCB 보드의 구멍에 끼우는 핀을 가지고 있어 뒷면의 도체에 납땜으로 연결할 수 있으며, DIP 형태를 갖는다. 표면 실장형 IC는 PCB 표면의 금속 처리된 곳에 직접 납땜 처리 SMD는 DIP 형태의 논리회로의 크기를 70% 가량 줄이고, 무게를 90%만큼 감소. 또 SMD는 PCB의 제조 가격을 크게 하락 시킴. DIP(Dual-in-line package) SMD(Surface-Mount Device) 논리 소자의 외형

Section 10 게이트의 전기적 특성 9. 집적회로 분류 트랜지스터의 집적도에 따른 분류 SSI(Small Scale IC) : 100개 이하 MSI(Medium Scale IC) : 100 ~ 1,000개 LSI(Large Scale IC) : 1,000 ~ 10,000개 VLSI(Very Large Scale IC) : 10,000 ~ 1,000,000개 ULSI(Ultra Large Scale IC) : 1,000,000 개 이상

Section 10 게이트의 전기적 특성 디지털 LSI의 분류 표준화된 칩의 사용은 급격히 감소 semi-customized LSI는 프로그램이 가능한 논리소자(Programmable Logic Device, PLD)라고 하는 것으로 프로그램 가능한 스위칭 결선의 선택으로 목적하는 디지털 시스템을 구성 PLD의 대표적인 것으로 CPLD (Complex Programmable Logic Device)나 FPGA(Field Programmable Gate Array)가 있다. 구 분 사용자측의 자유도 주요제품 및 특징 논리 LSI Custom LSI 전용설계(대규모 게이트, 높은 성능) Semi-custom LSI Gate Array, PLD(중간 정도의 회로 규모와 성능) 범용 LSI 마이크로프로세서, 승산기 메모리 LSI Mask ROM DRAM, SRAM, PROM 등

4장 기본 논리게이트 끝