Gate
- combinatorial Logic의 boolean function을 구현한 H/W
보통 IC chip으로 제공되지만 Transistor로 구현할 수도 있으며 FPGA에서는 아예 HDL을 통해 programming 형태로 이용할 수 있도록 제공되기도 한다.
- 1960년대 중반, Texas Instruments가 5400과 7400 계열의 IC를 출시한 이후로 Digital system or Digital circuit을 구현하기 위한 기본 구성 요소로 널리 사용되고 있다.
- 디지털 회로 실습 시간에 만나는 IC들로 breadboard와 함께 공대생들이 가장 익숙한 device라고도 할 수 있다.
- NAND와 NOR가 가장 기본적인 gate이다. 이들을 조합하여 adder, mux, demux 등을 만들어낼 수 있다.
- AND, OR, NOT을 조합하여 모든 boolean expression이 가능하지만 실제로는 NAND, NOR로 구현되는 경우가 대부분이며 NAND가 NOR보다 전력소모나 가격, 복잡성 등에서 유리하여 NAND가 주로 사용된다.
- NAND, NOR 각각 하나만으로 모든 boolean expression이 가능하다.
- 실제 구현이 NAND나 NOR가 보다 간단하고 동작속도(AND, OR에 비해)도 빠르다.
combinatorial logic circuit
- 0과 1을 다루는 algebra인 boolean algebra의 logic function을 수현한 것이다.
- Combinational logic circuit 또는 combinational logic 이라고도 불리며 Digital System의 instaneous system이다.
Instaneous system
- 해당 출력 시점에서의 입력들의 조합(이름에 comninatorial이 포함된 이유)에 의해 결정되는 system이다.
- combinatorial circuit도 instaneous system에 속한다.
- 내부 상태를 저장하는 memory가 없다.
Noise Glitch
- 원래의 의도가 아닌 다른 값(error value)로 출력 신호들이 나오는 현상을 말한다.
일반적으로 특정 신호 패턴들에서 발생되며 입력에서의 정전기 등으로 인한 짧은 순간의 NOISE 등이 원인이다.
- 어원은 사소한 흡집이나 오류를 뜻하며 bug는 실제적인 프로그램이나 시스템의 오류라면 glitch는 좀 더 가벼운 개발자가 의도하지 않은 비정상적인 현상을 가르킨다.
solution
Schmitt Triger
- hysteresis(이력현상)를 이용한 logic gate로 noise immunity가 필요한 경우 사용되며 noise가 심한 경우에도 output에서의 glitch가 적어진다. 하지만 feedback이 필요해서 일반적인 gate보다 복잡하고 단가가 높다.
differential signaling
- signal을 전송할 때 Driver를 통해 원래 신호와 해당 신호의 complemntary를 만들고 각각 2개의 전송선(보통 twisted-pair cable이다. differential pair라고도 불린다.)으로 전송한 후 Reciever에서 이들의 차이를 계산하여 다시 하나의 신호로 만드는 방식이다.
propagation Delay
- gate 등에서 input이 output에 영향을 주기까지 걸리는 시간이다.
- 이상적인 회로 설계와 실제 구현 간의 가장 큰 간극에 해당한다.
- rippel-carry adder를 사용하지 않는 가장 큰 이유가 되며 이 때문에 carry look-ahead adder가 사용된다.
- 여러 device를 연결할 경우 고려하지 않으면 동작하지 않을 수 있다.
example
- 위의 사진에서 gray area는 input에 의햐 ouput이 변하는데 걸리는 시간 때문에 만들어지며 그곳에서 해당 signal의 값을 보장하기 어렵다.
Gate Outputs
gate에서 출력단 관련 이슈를 다룬다.
Totem-pole Output
- 오른쪽 파란색 박스가 Totem-pole output(transistor를 쌓은 것이 totem을 닮아서 Totem-pole이다.)의 구성이다. 왼쪽 검은색 박스는 Totem-pole output의 transistor에 입력을 가할 때의 출력이다.
- 검은색 박스 내 왼쪽은 input이 0이고 Totem-pole의 상단에는 1, 하단에는 0이 들어가 그 결과로 output이 1이 나온다.
- 상하의 NPN BJT의 base에 들어가는 input은 항상 달라야 한다.(상보형 동작, input이 같다면 transistor가 망가진다.)
note
- Totem-pole output은 절대 서로 곧바로 연결해서는 안 된다. 이는 transistor를 망가뜨려서 못 쓰게 만든다.
Open callector과 Wired-AND
- 왼쪽에 보이는 2개의 경우가 pull-up resistor가 없는 상태이며 1을 출력하지 못한다.
* floating (Or Hi-Z) 상태에서 output을 오실로스코프의 probe로 찍으면 아무런 voltage가 나오지를 않는데 이는 0v를 의미하는게 아닌 probe를 허공에 대고 있는 것을 의미한다.- 도체가 공중에 떠있는 상태인 floating은 voltage를 정의할 수 없다.
- 대부분의 open collector는 대부분 pull-up resistor이 있는 경우를 말함.
- base에 0을 가하면 transistor는 끊긴 상태로 저항이 무한대이므로 대부분의 전압이 transistor에 걸리므로 ouput은 1에 해당하는 출력을 한다.
- base에 1을 가하면 output은 gnd와 연결되어 0에 해당하는 출력을 한다.
장점
- Totem-pole Output과 달리 여러 개를 연결할 수 있다,
- 1에 대한 출력을 5V 이상으로 변경 가능하다.(pull-up resistor를 쓴 경우)
- Totem-pole output보다 높은 current를 처리할 수 있다.
단점
- Totem-pole output보다 속도가 느리다. pull-up resistor가 낮을수록 속도가 빠르나 그 대신 전력 소모가 커진다.
- pull-up resistor는 0을 출력할 때 전력을 소비하게 만든다. pull-up resistor가 낮을수록 높은 current가 흐르게 되어 전력 소모가 커진다.
pull-up resistor (or passive pull-up)
- base가 0일 때 collector의 출력이 floating이 아닌 1이 되도록 collector를 High voltage에 연결해주는 resistor이다.
- 참고로 ground에 연결하는 resistor는 pull-down이라고 ㅂ른다.
- base가 1이면 ouput은 ground와 연결되어 0을 출력한다. 단 transistor가 close되어도 미세한 저항이 있기 때문에 pull-up resistor에 의해 결정되는 current가 흐르게 되어 전력소모가 발생한다.
wired-AND
- Open-collector ouput 여러 개를 연결하면 일종의 AND gate로 문ㄲ은 출력이라고 생각할 수 있으며 이를 Wired-AND라고 부른다.
Tri-state Output
transistor
- 기본적인 내용은 이전에 정리한 글에 있다.
- building hardware for bits
function
switch circuits
- switch 대신 transistor를 연결하고 다른 sensor를 통해 자동화할 수 있다.
amplify signals
- npn의 경우 적은 전류를 base에 흘려주면 collector에서 오는 전류와 합쳐져 더 많은 전류가 emitter에 흐른다.
transistor의 구성
- transistor는 NPN형과 PNP형이 있는데 여기서는 NPN형만 예시를 들 것이다.
- transistor는 silicon에 doping을 하여 free electron 또는 electron hole을 생성하여 N-type, P-type silicon을 만든 뒤 N-type 2개, P-type 1개 또는 그 반대로 접합시켜 NPN형 또는 PNP형 transistor를 만든다.
reference
1.CE mkdocs
2. Transistor-youtube
