- ▶ 회로설명 (circuit description) : 이제 실험으로 로직 IC를 이해 할 시점입니다. 대표적인 로직 IC 페밀리는 TTL, CMOS 두 종류가 있지만... TTL 계열은 전원전압 조건이 5V의 ±5% 안에 들어야 한다는 무척이나 까다로운 편이라서, 역시 3~15V의 전원전압 범위를 자랑하는 CMOS 계열을 택했습니다. ^^
CMOS 계열은... 넓은 전원전압 범위 + 저 전력의 장점으로 실제 회로설계에도 널리 사용되고 있으며, CPU나 메모리 IC, LSI, VLSI 칩 등에 광범위하게 사용되는 MOS-FET를 기본소자로 사용하고 있다는 장점이 있습니다. 반면에 트랜지스터를 기본 소자로 채택한 TTL은 전원조건이 까다롭고 소비전류도 많은 편이지만, 수십 MHz의 고속 동작에 강하다는 특유의 장점을 자랑합니다.
아마도 전문가가 아닌 영역에서 고속동작 로직을 필요로 하는 경우는 적기 때문에, 전원 호환성이 우수하고, 주변 설계가 용이한 CMOS 계열 로직 IC를 실험하는 편이 여러모로 유용하다고 생각합니다. ^^
로직 IC의 실험목적은 "1. AND, OR, NOT, XOR 기본 게이트의 입/출력 진리표로 동작확인 2. NAND, NOR 게이트를 조합하여 기본 게이트를 만들기 3. NAND, NOR 게이트로 세트/리세트 논리회로 (Set/Reset Logic Circuit) 를 만들고 동작시켜보기 4. 로직 입력상태를 High→Low, Low→High로 변환시키는 회로 만들기 5. 트랜지스터로 로직 IC의 출력단자 상태를 확인하는 회로 만들기" 등 총 다섯가지 입니다.
그 실험 중에서... 이번 시간에는 4001, NOR 게이트를 주제로 한 실험을 준비하였습니다. ^^
▶ 회로도 (The circuit diagram) : CMOS Logic IC 4001 (NOR gate) - 4001 메뉴얼 ^^
- ▶ 회로동작 설명 (circuit operation) : 4001 Logic IC는 4 개의 NOR 게이트를 가지고 있습니다. (핀 배치는 그림참조)
※ 로직 IC에서 핀 번호를 매기는 방법은 일반 IC와 마찬가지 입니다. (좌측 상단이 1 번, 반 시계 방향으로 돌아가며 번호 매김) 언제나 IC 상단의 턱을 확인하여, 1 번 핀의 위치를 확실히 해 두고 작업해야 합니다.
로직 IC를 사용할 때 게이트 번호에 열중하다가, IC 자체의 전원과 GND 단자를 회로에 연결하지 않는 경우가 종종 발생합니다. 더구나 실제의 로직 회로도는, (로직 IC의 전원연결에 대해 언급하지 않고) 오직 게이트 사이의 연결만 설명하는 것이 관례입니다... 그러므로 로직 IC를 사용할 때 항상 "로직 IC 자체의 전원과 GND를 연결해야함"을 머리속에 넣고 있어야, 회로 완성후에 당황하지 않을 수 있습니다. ^^
1. 첫 번째 시험회로는 NOR 게이트의 진리표를 확인하는 것입니다. 동시에 Low→High 입력상태 변환과 출력 시험회로도 함께 실험합니다. ^^
회로에서 입력 A와 입력 B의 처음상태는 둘 다 Low 입니다. NOR 게이트 진리표에 의하면, 출력은 High 상태가 됩니다. 로직 IC의 출력이 High 이면, 출력전압은 전원전압과 (거의) 같은 6V가 되므로... 출력단자에서 10K 저항을 거쳐 트랜지스터로 베이스 전류가 흐릅니다. 베이스 전류에 의해 트랜지스터의 콜렉터 전류가 흐르므로, LED가 켜지게 됩니다.
PB1이나 PB2를 누르면 NOR 게이트의 입력 A와 입력 B는 Low→High 상태로 전환됩니다. 이유는 푸시버튼을 누름으로써 입력단자가 GND 보다 전원에 더 (전기적으로) 가까와졌기 때문입니다. GND와 입력단자 사이에는 10K 저항이 놓여 있으니까요... 이 경우는 진리표에 따라 출력단자가 Low, 즉 0V가 되므로... Tr에 공급되는 베이스 전류가 흐르지 않게되고, 그 결과 콜렉터 전류도 차단됩니다. 물론 LED도 꺼지게 됩니다.
※ 회로도에 보면 입력 A단자에 1 번, 입력 B단자에 2 번, 출력단자에 3 번으로 결정되어 있습니다. (즉 4001 4 개의 게이트 중에 좌측 상단의 것을 사용한 것입니다) 그러나 이 것은 설계자가 임의로 정한 것입니다. 4001 IC 내 다른 번호의 게이트 입/출력으로도 시험해 보십시요. 같은 결과가 나와야 합니다. ^^
2. NOR 게이트 실험이 성공적으로 끝나면... 회로도 안의 붉은 점선으로 표기된 "등가회로 대치부분"을 회로도 아래의 ①, ②, ③, ④ 4 개의 등가회로로 하나씩 바꿔 넣고, (앞 페이지의) 진리표에 따라 실험해 보십시요. 이 실험은 NOR 로직 게이트를 조합하여, 다른 모든 종류의 게이트를 만들어 낼 수 있다는 것을 보여주는 것이 목적입니다.
※ ① 번의 NOT 게이트만 제외하면, 모두 두 개의 입력과 하나의 출력을 가지고 있으므로... 회로를 쉽게 대치할 수 있을 것입니다. (NOT 게이트는 입력이 하나이므로, 두 개 중 어느 입력을 사용해도 O.K)
"AND, OR, NOT의 기본 세가지 게이트만 있으면 (메모리를 제외한) 모든 논리회로를 만들 수 있고, NOR 게이트만 조합하면 기본 게이트를 만들 수 있으므로... 결국 NOR 게이트 IC만 이해하면, 게이트 회로 공부는 끝이로군!" 이라는 느낌을 가져보십시요... (NAND 게이트도 마찬가지임) ^^
3. (NOR) 로직 게이트 조합실험이 무사히 끝나면... NOR 게이트 2 개를 응용한 세트/리세트 논리회로 (Set/Reset Logic Circuit) 를 실험해 보겠습니다. ^^
일반적인 게이트 회로에서... 입력 부분에 스위치나 스위치 회로가 연결되는 경우가 많이 나타납니다. 소위 스위치라는 종류의 부품이 동작할 때는... 기계적인 접점의 형태이거나, 전기적 변환이 이루어지는 형태이거나 결국은 전기 흐름의 끊어짐(불연속)이 발생합니다. 이 불연속 동작을... 로직 회로의 입력측에서 보면, 몇 번의 펄스가 반복해서 들어오는 것으로 보여지게 됩니다. 결국 단 한번의 스위치 동작이, 로직 회로에서는 몇 개의 (확실하지 않은 수의) 펄스 입력이 나타나는 결과로 되어 버리지요... -_-
이래서야 곤란하기 때문에... 로직 회로의 스위치가 있는 입력부분에 슈미터 트리거 회로나 Set/Reset 로직회로를 사용해서, 미리 방지를 해 줍니다. Set/Reset 로직회로는 2 개의 입력을 가지고 있는데, 하나의 입력에 몇 개의 펄스가 들어오더라도 처음의 하나만 유효한 펄스로 간주하고 (나머지는 무시하는) 회로입니다. 다른 입력에 펄스가 들어와야, 다시 (처음 입력이) 준비상태로 들어갑니다. 그래서 이름도 세트/리세트 회로입니다. 즉 "리세트" 될 때 까지는, "세트" 입력이 딱 한 번만 동작하는 거지요... ^^
두 번째 회로를 시험해보면... PB1, PB2 를 누름에 따라, 출력 LED의 점등이 깨끗하게 동작하는 것을 느낄 수 있습니다. (첫 번째 회로는 입력 푸시버튼의 (불안정) 상태가 그대로 출력 LED에 반영됩니다. 스위치를 일부러 살며시 문질러 시험해 보십시요... ^^) 눈으로는 확인할 수 없지만, 스위치 접점의 불안정 상태은 완전히 걸러져서... 딱 1 회분의 입력만이 출력으로 전달된답니다. ^^
※ 가지고 있는 테스터로... 제작한 로직 회로의 입력과 출력전압을 반드시 확인하고, 마음속에 기억하여 두시기 바랍니다. (조합회로도 마찬가지 입니다...) 향후에 CMOS 로직 IC를 이용하여 회로를 만들 때... 회로내에서 동작하는 로직 IC의 입/출력 상태를, 테스터 전압 측정만으로 정확하게 알아낼 수 있습니다. (단 펄스의 유무나 동작확인은 테스터로 무리입니다) ^^
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