목차 4장논리게이트 - KOREATECH · 2016. 10. 31. ·...

1한국기술교육대학교 전기전자통신공학부

1. 논리 레벨2. NOT 게이트와 버퍼 게이트3. AND 게이트4. OR 게이트5. NAND 게이트6. NOR 게이트7. XOR 게이트8. XNOR 게이트9. 정논리와 부논리10. 게이트의 전기적 특성

목 차

4장 논리게이트

2한국기술교육대학교 전기전자통신공학부

TTL과 CMOS 논리 레벨 정의영역

TTL CMOS Transistor

전압(Volt)

5

4

3

2

1

0

논리-1(2.5V~5V)

논리-0(0V~0.8V)

정의되지 않은 영역

전압(Volt)

5

4

3

2

1

0

논리-1(3.5V~5V)

논리-0(0V~1.5V)

정의되지 않은 영역

emitter

collector

base

Vout

Vin

+Vcc

Section 01 논리 레벨

3한국기술교육대학교 전기전자통신공학부

1. NOT 게이트

v 한 개의 입력과 한 개의 출력을 갖는 게이트로서 논리 부정을 나타낸다.

X F0 11 0

1 10 0입력 X

10 0 1출력 F진리표

동작파형 논리회로 기호

트랜지스터 회로IC 7404

'XXF ==논리식

X F

FX

RC

RB

+VCC

Section 02 NOT 게이트와 버퍼게이트

4한국기술교육대학교 전기전자통신공학부

2. 버퍼v 버퍼(buffer)는 입력된 신호를 변경하지 않고, 입력된 신호 그대로를 출력하

는 게이트로서 단순한 전송을 의미한다.

v 입력 신호가 1인 경우에는 출력 신호는 1이 되고, 입력 신호가 0인 경우에는 출력 신호는 0이 된다.

진리표동작파형

논리 기호

XF =

X F0 01 1

110 0X

F

0

110 0 0

IC 7407 핀 배치도

논리식

FX

5한국기술교육대학교 전기전자통신공학부

v 3상태(tri-state) 버퍼출력이 3개 레벨(High, Low, 하이 임피던스) 중의 하나를 갖는 논리소자

진리표 논리 기호IC 74125 핀 배치도

X F1 0 10 0 01 1 Hi-Z0 1 Hi-Z

E

X

E

F

E

X F

논리 기호

IC 74126 핀 배치도진리표

X E F1 0 Hi-Z0 0 Hi-Z1 1 10 1 0

6한국기술교육대학교 전기전자통신공학부

AND 게이트 (2입력)

v 입력이 모두 1(on)인 경우에만 출력은 1(on)이 되고, 입력 중에 0(off)인 것이하나라도 있을 경우에는 출력은 0(off)이 된다.

X Y F0 0 00 1 01 0 01 1 1

진리표

동작파형

논리기호

YXXYF ×==

0 0 1 01

1 10 0

X

Y

0 0F 0 1 0

0

XY F

논리식

Section 03 AND 게이트

스위칭 회로

트랜지스터 회로 IC 7408

X

F

Y

+VCC

X

F

Y

R

7한국기술교육대학교 전기전자통신공학부

3 입력 AND 게이트

X Y Z F0 0 0 00 0 1 00 1 0 00 1 1 01 0 0 01 0 1 01 1 0 01 1 1 1

진리표

동작파형

논리 기호

ZYXXYZF ××==

0 1X

Y

000 111 0

000 11 00 11

00 1 0 1 0 1 0 1

0000 0 00 0 1

Z

F

논리식

XY FZ

8한국기술교육대학교 전기전자통신공학부

OR 게이트 (2입력)

v 입력이 모두 0인 경우에만 출력은 0이 되고, 입력 중에 1이 하나라도 있으면,출력은 1이 된다.

X Y F0 0 00 1 11 0 11 1 1

진리표 동작파형

논리기호

YXF +=

0 0 1 01

1 10 0

X

Y

0 1F 11 0

0

FXY

논리식

Section 04 OR 게이트

스위칭 회로 트랜지스터 회로IC 7432

X

FY

9한국기술교육대학교 전기전자통신공학부

3 입력 OR 게이트

X Y Z F0 0 0 00 0 1 10 1 0 10 1 1 11 0 0 11 0 1 11 1 0 11 1 1 1

진리표

동작파형

논리회로 기호

ZYXF ++=

0 1X

Y

000 111 0

100 1 100 1 0

10 10 10 10 0Z

010 111 1 11F

논리식

XYZ

F

10한국기술교육대학교 전기전자통신공학부

q NAND 게이트 (2입력)

v 입력이 모두 1인 경우에 출력은 0이고, 입력에 하나라도 0이 있으면 출력은 1이다.

v AND 게이트와 반대로 동작하므로 NOT AND의 의미로 NAND 게이트라고 부른다.

X Y F0 0 10 1 11 0 11 1 0

진리표동작파형

논리기호

YXXYF ×==

0 0 1 01

110 0

X

Y

1 1F 1 0 1

0

논리식

XY

F

Section 05 NAND 게이트

IC 7400

11한국기술교육대학교 전기전자통신공학부

q 3 입력 NAND 게이트

X Y Z F0 0 0 10 0 1 10 1 0 10 1 1 11 0 0 11 0 1 11 1 0 11 1 1 0

진리표

동작파형

논리기호

ZYXXYZF ××==

0 1X

Y

000 111 0

100 1 100 1 0

10 10 10 10 0Z

10111 1 11F 1

논리식

XYZ

F

IC 7410

12한국기술교육대학교 전기전자통신공학부

q NOR 게이트 (2입력)v 입력이 모두 0이면 출력은 1이고, 입력 중에 하나라도 1이 있으면 출력은 0이다.

v OR 게이트와는 반대로 동작하므로, NOT OR의 의미로 NOR 게이트라고 한다.

X Y F0 0 10 1 01 0 01 1 0

진리표

동작파형

논리기호

YXF +=

0 0 1 01

110 0

X

Y

1F 0 1

0

0 0

XY F

논리식

XY F

Section 06 NOR 게이트

IC 7402

13한국기술교육대학교 전기전자통신공학부

q 3 입력 NOR 게이트

X Y Z F0 0 0 10 0 1 00 1 0 00 1 1 01 0 0 01 0 1 01 1 0 01 1 1 0

진리표

동작파형

논리기호

ZYXF ++=

0 1X

Y

000 111 0

100 1 100 1 0

10 10 10 10 0Z

0 11 000 0 00F

논리식

XYZ

F

IC 7427

14한국기술교육대학교 전기전자통신공학부

q XOR 게이트 (2입력)v 다중 입력에서 1의 개수가 짝수 개이면 출력은 0이고 홀수 개이면 출력은 1이다.

v 2 입력 XOR 게이트의 경우, 두 개의 입력이 서로 같으면 출력은 0이고 서로 다르면 출력은 1이다. (배타논리)

X Y F0 0 00 1 11 0 11 1 0

진리표동작파형

논리기호

YXYXYXF +=Å=

0 0 1 01

110 0

X

Y

1F 0 1

0

00

논리식

XY F

Section 07 XOR 게이트(Exclusive-OR)

AND-OR 게이트 회로 IC 7486

X

Y

F

15한국기술교육대학교 전기전자통신공학부

q 3 입력 XOR 게이트

X Y Z F0 0 0 00 0 1 10 1 0 10 1 1 01 0 0 11 0 1 01 1 0 01 1 1 1

진리표

동작파형

논리회로 기호ZYXF ÅÅ=

0 1X

Y

000 111 0

100 1 100 1 0

10 10 10 10 0Z

011 100 0 10F

논리식

XYZ

F

16한국기술교육대학교 전기전자통신공학부

q XNOR 게이트 (2입력)v 다중 입력에서 1의 개수가 짝수 개이면 출력은 1이고 홀수 개이면 출력은 0이다.

v 2 입력 XNOR 게이트의 경우, 두 개의 입력이 서로 같으면 출력은 1이고 서로 다르면 출력은 0이다.

v XOR 게이트와 상반되는 동작으로 XOR의 출력에 NOT 게이트가 연결된 것과 같다.

X Y F0 0 10 1 01 0 01 1 1

진리표동작파형

논리기호

0 0 1 01

110 0

X

Y

1F 0 1

0

10

YX YXXYYXF =Å=+= ⊙

논리식

XY

F

XY F

XY

F

Section 08 XNOR 게이트(Exclusive-NOR) gate)

IC 74266

17한국기술교육대학교 전기전자통신공학부

q 3 입력 XNOR 게이트

X Y Z F0 0 0 10 0 1 00 1 0 00 1 1 11 0 0 01 0 1 11 1 0 11 1 1 0

진리표

동작파형

논리기호

Z Y X ZYXF =ÅÅ= ⊙⊙

0 1X

Y

000 111 0

100 1 100 1 0

10 10 10 10 0Z

1111 000 10F

논리식

XYZ

F

18한국기술교육대학교 전기전자통신공학부

q 논리 개념

q 정논리 AND = 부논리 OR

q정논리 NAND = 부논리 NOR

전압레벨 정 논리 부 논리

+5V High=1 High=0

0V Low=0 Low=1

X Y FLLHH

LHLH

LLLH

X Y F0011

0101

0001

X Y F1100

1010

1110

전압레벨 정논리 AND 부논리 OR

Section 09 정논리와 부논리

X Y FLLHH

LHLH

HHHL

X Y F0011

0101

1110

X Y F1100

1010

0001

전압레벨 정논리 NAND 부논리 NOR

19한국기술교육대학교 전기전자통신공학부

q 정논리와 부논리간의 게이트 대응

정논리 ↔ 부논리 정논리 ↔ 부논리

AND OR XOR XNOR

OR AND XNOR XOR

NAND NOR NOT NOT

NOR NAND

20한국기술교육대학교 전기전자통신공학부

1. 전파지연시간(gate propagation delay time)

v 신호가 입력된 후 출력될 때까지의 시간으로, 게이트의 동작 속도를 나타낸다.

입력

출력

0V

5V

50%

50%

tPHL tPLH

5V

0V

tPHL – high to low 전파지연시간tPLH – low to high 전파지연시간gate delay = (tPHL + tPLH )/ 2

Section 10 게이트의 전기적 특성

21한국기술교육대학교 전기전자통신공학부

q 주요 디지털 IC 계열별 특성표

(max)[ns]

(max)[ns]

VOH(min)[V]

VOL(max)[V]

VIH(min)[V]

VIL(max)[V]

IOH(max)[mA]

IOL(max)[mA]

IIH(max)[mA]

IIL(max)[mA]

7400 22 15 2.4 0.4 2 0.8 -0.4 16 40 -1.6 74S00 4.5 5 2.7 0.5 2 0.8 -1 20 50 -2 74LS00 15 15 2.7 0.4 2 0.8 -0.4 8 20 -0.4 74ALS00 11 8 3 0.4 2 0.8 -0.4 8 20 -0.1 74F00 5 4.3 2.5 0.5 2 0.8 -1 20 20 -0.6

74HC00 23 23 3.84 0.33 3.15 0.9 -4 4 74AC00 8 6.5 4.4 0.1 3.15 1.35 -75 75 74ACT00 9 7 4.4 0.1 2 0.8 -75 75

PHLt PLHt

tPHL : H에서 L로 변할 때의 전파지연시간 tPLH : L에서 H로 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

22한국기술교육대학교 전기전자통신공학부

IC 계열별 특징v 디지털 IC :

- TTL (Transistor Transistor Logic),

- CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)

v TTL : BJT와 diode로 구성

v 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.

v TTL 중에서는 74 계열 외에 군용과 같이 열악한 환경에서도 동작할 수 있도록 개

발된 54 계열이 있다.

• 74 계열의 작동 온도 범위 : 0~70

• 54 계열은 작동 온도 범위 : -55~125

v TTL은 LS(low power-schottky), F(fast) 타입이 CMOS는 4000B 계열, HC(high

speed CMOS) 타입이 주로 사용된다.

23한국기술교육대학교 전기전자통신공학부

TTL 게이트 출력

VCC= 5VVCC= 5V

xy

F

R1=4K R2=1.6K

R3 =1K

Q1

Q2

Q3

RL 외부 회로

z

xyz

OC F

• 출력의 형식에 따라 개방 컬렉터 출력, 토템 폴 출력, 3 상태 출력 등 3가지 유형으로 구분•일반적 TTL 출력은 토템폴 사용

• 개방 컬렉터 출력 : LED 구동, 릴레이(relay) 구동, 공통 버스의 구성 또는 연결논리의 구현 시에 사용. 비교적 많은 전류를 사용하기 위함.

3-input NAND (Totem-pole output)

VCC=5V

R4=130K

R3=1K

Q3

Q2

Q4

D1

F

R1=4K

Q1x

y

z

R2=1.6K

3-input NAND (Open-collector output)

VBEact= ~0.6~0.7VVCEsat= ~0.2VD1ON = ~0.7V

24한국기술교육대학교 전기전자통신공학부

TTL 3 상태 출력

3 상태 버퍼 게이트 반전 3 상태 버퍼 게이트

• 3상태 출력- 공통 버스를 구현할 때는 3상태( 혹은 단순히 삼상, three-state 또는 tri-state) 출력을 많이 사용- 출력을 제어하는 OE(output enable) 단자를 가진다

OE X F1 1 11 0 00 x Hi-Z

x – don't care

OE X F0 1 00 0 11 x Hi-Z

25한국기술교육대학교 전기전자통신공학부

2. 전력소모(power dissipation)

v 게이트가 동작할 때 소모되는 전력

3. 잡음여유도(noise margin)

v 디지털 회로에서 데이터의 값에 변경을 주지 않는 범위 내에서 최대로 허용되는 Noise Margin을 의미.

v NM은 클수록 안정적인 회로 동작을 보장

cccccc I=VP ´

논리 1

논리 0

논리 1

논리 0

VNH

VNL

출력전압범위 입력전압범위

VOH(min)

VOL(max)

VIH(min)

VIL(max)

입출력 전압 범위

VNH=VOHmin-VIHminVNL=VILmax-VOLmax

26한국기술교육대학교 전기전자통신공학부

논리 1

논리 0

논리 1

논리 0

VNH=0.7V

VNL=0.4V

출력전압범위 입력전압범위

VOH=2.7V

VOL=0.4V

VIH=2.0V

VIL=0.8V

LSTTL의 입출력 레벨과 NM

입력신호 X(신호+잡음) 출력신호 F

Noise

BAVo Vi

출력레벨 입력레벨

H

L

H

L

학습 : HC 및 AC 계열의noise margin을 구하여보시오.

27한국기술교육대학교 전기전자통신공학부

4. 팬-인(fan-in), 팬-아웃(fan-out)

v 팬-아웃은 1 개의 게이트에서 다른 게이트의 입력으로 연결 가능한 최대 출력단의수를 의미. 출력의 H 및 L 레벨에서 각각 구하여 그 중 작은 값을 선택

v 팬-인은 1 개의 게이트에 입력으로 접속할 수 있는 최대 단수를 의미.

출력이 H 레벨일 때 출력이 L 레벨일 때

2002.04.0

(max)(max)

==mA

mAII

IH

OH20

4.08

(max)(max)

==mA

mAII

IL

OL

팬인 팬아웃

팬아웃20

최대20개

IOH=0.4mA(max)H

H

H

IIH=0.02mA(max)

H팬아웃20

최대20개

IOL=8mA(max)L

L

L

IIL=0.4mA(max)

L

28한국기술교육대학교 전기전자통신공학부

5. 싱크전류(sink current)와 소스전류(source current)

v 싱크전류 : 게이트로 전류가 유입되는 것을 나타낸다. (+) 방향으로 표시

v 소스전류 : 게이트에서 바깥으로 전류를 공급한다. (-) 방향으로 표시

소스전류로 점등싱크전류로 점등

74시리즈 TTL 계열의 경우에 일반적으로 싱크전류는 최대 16mA이고,소스전류는 0.25mA 이하이다.

330Ω

ChipOutput

+Vcc

Sinking a current

Chip의 출력이Low(0V)일 때

LED가 점등된다.

ChipOutput

330Ω

Sourcing a current

Chip의 출력이High(+Vcc)일 때

LED가 점등된다.

어느 회로의 LED 불빛

이 더 밝을까요?

29한국기술교육대학교 전기전자통신공학부

v 높은 팬-아웃 IC를 LSI 출력 측에 접속하기 위한 소자로서 74LS06, 74LS07과 같은 버퍼를 사용한다.

v 이들은 게이트에 유입되는 싱크전류를 40mA까지 허용하며, 게이트가 공급하는소스전류는 0.25mA다.

싱크 전류로 점등소스전류로는 점등 안됨

74LS07LL

싱크전류

IOL ≤ 40mA

74LS06LH

싱크전류

IOL ≤ 40mA

H L74LS06

R

VccIF=10mA

IOL≤40mA

점등 330Ω

HLIOH≤0.25mA

R점등안됨

330Ω

30한국기술교육대학교 전기전자통신공학부

6. 풀-업(full-up), 풀-다운(full-down)

v 입력레벨의 불확실성을 제거하여 정확한 신호를 얻기 위하여 사용하는 저항

v 풀-업 저항 : 전원 쪽으로 연결할 때 사용

v 풀-다운 저항 : 접지 쪽으로 연결할 때 사용

v 적절한 풀-업, 풀-다운 저항으로서는 3~10KΩ을 사용

풀-업 저항을 사용하지 않으면 입력이 floating 되어불확실한 입력신호가 될 수 있다.

7404switch 7404

switch

Vcc

31한국기술교육대학교 전기전자통신공학부

풀-업 저항

풀-다운 저항

switchoff

Vcc

3~10KΩIIHH L

switchon

Vcc

3~10KΩ

IIL≤ 0.4mA

iHL

switchoff

Vcc

3~10KΩIIL≤ 0.4mA

L H

switchon

Vcc

IIH≤ 0.02mA

iH L

3~10KΩ

≤ −

≤ 학습: 21쪽을 참고하여 74F 계열 TTL 게이트에서의 풀업 및 풀다운 저항의 범위를 구하여 보시오.