- ▶ 회로설명 (circuit description) : 이번 시간에는 (먼저 시간의 후속으로) 4011, NAND 게이트를 주제로 한 실험입니다. 로직 IC와 논리 게이트 종류만 달라졌을 뿐, 실험의 모든 목표와 순서는 먼저 시간의 NOR 게이트와 완전히 같습니다. ^^
NAND 게이트는 로직 회로에서 가장 많이 사용되는 게이트입니다. 반면에 NOR 게이트는 (동일한 기능에도 불구하고) 많이 사용되지 않습니다. 이유는 모릅니다. 그러나 디지털 회로를 접하다 보면 NAND 게이트를 자주 만나게 될 가능성이 아주 높습니다.
로직 게이트 실험은 NAND와 NOR 게이트만으로 충분합니다. 다만 논리동작 자체에 만족하기 보다는... "CMOS 논리 IC에서 로직의 High, Low 상태란 것이 어떤 전압값으로 나타나는가?"라는 의문을 가져보는 편이 훨씬 유용합니다. (TTL IC를 실험하는 경우도 마찬가지...) 왜냐하면 전원전압이 달라짐에 따라 로직의 High, Low 상태도 달라지기 때문입니다. 전압의 변화는 테스터로 충분히 확인할 수 있으며, 익숙해지면 (굳이 출력단자에 Tr과 LED를 연결해 확인하지 않아도) 전압만으로 로직 IC의 상태를 간단히 체크할 수 있어 로직회로의 설계와 제작에 큰 도움이 됩니다. ^^
로직회로에 사용된 논리 IC의 입/출력 상태를 마음대로 읽어낼 수 있으면, 이미 로직 IC는 내 손안에 들어와 있는 것입니다. 언제라도 원하는 논리조건을 실제회로로 구현해서 사용할 수 있게 되었으니까요... ^^
▶ 회로도 (The circuit diagram) : CMOS Logic IC 4011 (NAND gate) - 4011 메뉴얼 ^^
- ▶ 회로동작 설명 (circuit operation) : 4011 Logic IC는 4 개의 NAND 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 NAND 게이트의 진리표를 확인하는 것입니다. 동시에 High→Low 입력상태 변환과 출력 시험회로도 함께 실험합니다. ^^
회로에서 입력 A와 입력 B의 처음상태는 둘 다 High 입니다. NAND 게이트 진리표에 의하면, 출력은 Low 상태가 됩니다. 로직 IC의 출력이 Low 이면, 출력전압은 GND와 (거의) 같은 0V가 되므로... 출력단자에서 흐르는 전류는 없습니다. 베이스 전류에 없으므로 트랜지스터의 콜렉터 전류도 없으며, LED는 꺼진 상태가 됩니다.
PB1이나 PB2를 누르면 NOR 게이트의 입력 A와 입력 B는 High→Low 상태로 전환됩니다. 이유는 푸시버튼을 누름으로써 입력단자가 전원 보다 GND에 더 (전기적으로) 가까와졌기 때문입니다. 전원과 입력단자 사이에는 10K 저항이 놓여 있으니까요... 이 경우는 진리표에 따라 출력단자가 High, 즉 6V가 되므로... 출력단자에서 10K 저항을 거쳐 Tr로 베이스 전류가 흐르고, 그 결과 콜렉터 전류도 흐르게 됩니다. 물론 LED는 켜지게 됩니다.
※ 회로도에 보면 입력 A단자에 1 번, 입력 B단자에 2 번, 출력단자에 3 번으로 결정되어 있습니다. (즉 4011 4 개의 게이트 중에 좌측 상단의 것을 사용한 것입니다) 그러나 이 것은 설계자가 임의로 정한 것입니다. 4011 IC 내 다른 번호의 게이트 입/출력으로도 시험해 보십시요. 같은 결과가 나와야 합니다. ^^
From http://www.devicemart.co.kr/mart7/circuitry/bbs.php?table=beginner&query=view&uid=44&p=1
2. NAND 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 NAND 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, NAND 게이트만 조합하면 기본 게이트를 만들 수 있으므로... 결국 NAND 게이트 IC만 이해하면, 게이트 회로 공부는 끝이로군!" 이라는 느낌을 가져보십시요... (NOR 게이트도 마찬가지임) ^^
3. (NAND) 로직 게이트 조합실험이 무사히 끝나면... NAND 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) ^^
