6/26 디지털 회로 실험

정유석·2024년 6월 26일

교육 - 디지털 논리회로 실습

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아날로그 신호
시간에 따라 연속적으로 변하는 신호
디지털 신호
시간에 따라 불연속적으로 변하는 신호
듀티 사이클(Dyty Cycle)
디지털 신호의 주기에서High 레벨이 차지하는 시간 비율(%)
high레벨 구간 : A, low레베 구간 : B 듀티 사이클 D
D={A/(A+B)}X100(%)

논리 게이트

논리 게이트는 부울 대수의 여러 논리 함수를 전자회로로 구현한 것
AND, OR, NOT, ONAND, NOR, XOR 등이 대표적인 논리 게이트,
이러한 논리 게이트를 반도체로 만든 것을 디지털 IC(Integrated Circuit)라 한다.

논리 게이트의 종류와 특징

논리 게이트는 저항, 다이오드, 트랜지스터와 같은 아날로그 전자부품으로 만든다. TTL(Transistor Transistor Logic), DTL(Diode Transistor Logic), ECL(Emitter Coupled Logic), CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)

종류	전자부품	소비전력	특징	고유번호
TTL	트랜지스터, 저항, 다이오드	큼	가격이 저렴함 ,속도가 빠름, 범용성이 우수함	74 시리즈, (54 시리즈:군수용)
TL	다이오드, 저항 트랜지스터	큼	속도가 느림, 다이오드 논리 동작을 구현, 트랜지스터는 신호를 증폭하는 역할을 담담	TTL 이전에 사용된 논리 게이트, 통일된 고유번호 없음
ECL	바이폴라 트랜지스터	가장 큼	TTL보다 속도가 빠름, 잡음에 약함	10 시리즈, 10H 시리즈 등
CMOS 로직	MOS 트랜지스터	가장 작음	범용성이 우수함, 정전기에 약함	40 시리즈(표준형), 74HC 시리즈(고속 CMOS)

High와 Low 레벨의 전압 기준

High 레벨은 5v, Low 레벨은 0v로 정의되어 있지만, 제대로 동작하기 어렵기 때문에 실제로는 어느 정도의 전압 범위를 High와 Low 레벨로 인식한다.
논리 레벨의 전압 기준은 잡음 여유도와 관련 깊다. 잡음 여유도는 디지털 회로에 잡음이 생겨 출력 전압이 변해도 논리 레벨이 올바르게 인식될 수 있도록 출력 전압 기준과 입력 전압 기준 간에 만들어 둔 전압 간격이다.
High 레벨 잡음 여유도 : Voh(Min)-Vih(min)
Low 레벨 잡음 여유도 : Vil(Max)-Vol(Max)
(출력과 입력의 값의 범위가 있고 V값은 정해진 값)
논리 게이트의 High 레벨 출력 전압인 Voh는 입력단의 High 레벨 인식 전압인 Vih에 비해 높다. 따라서 잡음이 생겨 Voh의 값이 다소 낮아져도 High 레벨을 인식할 수 있다.
Low 레벨 출력 전압인 Vol은 입력단의 Low 레벨 인식 전압인 Vil에 비해 낮다, 잡음이 생겨 Vol의 값이 다소 높아져도 Low 레벨을 인식할 수 있다.

논리 게이트의 표시 규칙

(고유번호 예시 : 00-NAND, 02 : NOR, 04 : NOT, 08 : AND, 32 : OR)

논리 게이트의 핀 번호

N개의 핀을 가진 논리 게이트는 N번 핀이 Vcc이고, N/2번 핀이 GND이다

전파지연시간 (Propagation delay Time)

신호가 입력되어서 출력될 때까지의 시간을 말하며, 게이트의 동작 속도를 나타낸다

팬 인 과 팬 아웃

팬 인(Fan In)

논리 게이트의 동작에 영향을 주지 않으면서 최대로 접속할 수 있는 입력단의 수이다. 입력단을 무작정 늘리면 전파지연시간이 증가하면서 동작 오류가 생길 수 있다.

팬 아웃(Fan Out)

논리 게이트의 동작에 영향을 주지 않으면서 최대로 연결할 수 있는 출력단의 수.
논리게이트는 전압 신호인 논리 레벨에 따라 동작하지만, 회로가 정상적으로 동작하려면 적절한 전류가 흘러야 한다. 팬 아웃 이상으로 출력단을 연결하면 전류량이 부족해 동작 오류가 생길 수 있다.

팬 아웃은 논리 레벨에 따라 출력 전류와 입력 전류의 비율로 정의된다. Ioh는 High 레벨의 출력 전류이고, Iih는 출력과 연결된 논리 게이트의 High 레벨 입력 전류이다. Iol은 Low 레벨의 출력 전류이고, Iil는 출력과 연결된 논리 게이트의 Low 레벨 입력 전류이다.
팬 아웃(High 레벨) : Ioh/Iih
팬 아웃(Low 레벨) : Iol/Iil