[논리 회로] 4장. 논리 게이트

본 내용은 2024년 1학기 '컴퓨터논리개론' 수업을 들으며 노션에다가 정리한 글을 옮겨온 포스트입니다.
제 공부를 위해 작성한 거라서 제가 알아보기 편하게  정리했습니다. 여러분들도 자유자재로 열람 가능하지만 간혹 이해하기 힘든 부분이 있을 수도 있다는 점 양해 부탁드립니다!

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1. 논리 레벨

논리회로는 논리 게이트로 구성된다.

논리게이트: 한 개 이상의 입력 단자와 하나의 출력 단자로 구성되는 전자회로.

전기적인 신호를 두가지의 구분된 값(0, 1)으로 인식하며, 보통 전압으로 나타냄.

즉 반도체 칩은 TTL타입 칩과 CMOS타입 칩 두 가지가 있는 것

논리게이트는 스위치 역할을 하는 트랜지스터로 구성되어 있는데, 트랜지스터는 컬렉터, 베이스 ,에미터로 구성되어 있다.

회로를 연결해주고 끊어주는 스위치로 작동하는 것! 이게 많으면 ‘집적회로’ ← 스마트폰처럼 작은 기기에 트랜지스터 압축해서 모아 넣은 것처럼!

기본적인 논리 게이트에는 AND, OR, NOT이 있으며, 이들의 조합으로 만든 게이트에는 NAND, NOR, XOR, XNOR 게이트 등이 있다.

→ 모든 디지털 시스템은 여러 가지 논리 게이트가 모여 조합논리회로와 순서논리회로로 구성됨!

1) NOT 게이트

입력 1개, 출력 1개 → 논리 부정을 나타냄!

인버터라고도 부른다.

7404칩 등에 쓰임.

 

 

2) 버퍼

입력된 신호를 변경하지 않고 입력된 신호 그대로 출력하는 게이트.

7407칩 등에 쓰임

3상태 버퍼라는 것도 있는데, 이건 출력이 3개 레벨(Low, High, 하이 임피던스) 중 하나를 갖는다.

저거 NOT 위치 잘 보면 될 듯

3) AND 게이트

2개 이상의 입력에 대하여 1개의 출력을 얻는 게이트. → 논리곱

입력이 모두 1인 경우에만 1이 출력되고, 하나라도 0이 있으면 0이 출력됨.

F = A*B / 7408칩 등에 쓰임.

3입력 AND 게이트도 있다.

 

 

좌석 벨트가 풀린 채로 점화 스위치를 ON하면 30초간 경보음이 울리는 것…

4) OR 게이트

2개 이상의 입력에 대해 출력 1개를 얻는 게이트 → 논리합

입력이 모두 0인 경우에만 출력이 0이 되고, 하나라도 1이 있으면 출력은 1.

F = A + B / 7432칩 등에 사용

 

 

5) NAND 게이트

2개 이상의 입력에 대해 출력 1개를 얻는 게이트. 입력이 모두 1인 경우에만 출력이 0이 되고,그렇지 않으면 출력은 1이 된다.

𝐹=𝐴𝐵ˉF=ABˉ

 

 

6) NOR 게이트

2개 이상의 입력에 대해 출력 1개를 얻는 게이트.

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

𝐹=𝐴+𝐵ˉF=A+Bˉ​

 

 

7) XOR 게이트

홀수 개의 1이 입력된 경우에는 출력이 1, 그렇지 않으면 출력은 0.

 

 

8) XNOR 게이트

짝수 개의 1이 입력될 때 출력이 1이고, 그렇지 않으면 출력은 0.

 

 

2. 정논리와 부논리

• 정논리: High레벨(+5V)일 때 논리 1, Low레벨(0V)일 때 논리 0
• 부논리: High레벨(+5V)일 때 논리 0, Low레벨(0V)일 때 논리 1

3. 게이트의 전기적 특성

IC는 재료에 따라 그 특성이나 기능이 정해짐.

• 바이폴라 트랜지스터 사용 → TTL, ECL
• 전계 효과 트랜지스터나 유니폴라 트랜지스터인 PMOS, NMOS, CMOS를 사용한 소자

→ 특정 용도에 따라 기능으로 묶음.
TTL은 NAND, ECL은 NOR, CMOS는 inverter 게이트 등에 사용되며, 아래 네 가지 특성들에 의해 평가된다!

• 전파 지연 시간: 신호가 입력되어서 출력될 때까지의 시간
• 전력 소모: 소모되는 전력 량
• 잡음 여유도: 데이터의 값에 변화를 주지 않는 한도 내에서 최대로 허용되는 잡음 마진
• 팬-아웃: 한 게이트의 출력으로부터 다른 여러 개의 입력으로 공급되는 전류. 정상적인 동작으로 한 출력이 최대 몇 개의 입력으로 연결되는가를 나타냄.

1) 전파 지연 시간

논리 게이트는 상태가 변할 때 약간의 시간이 걸리는데, 이게 전파 지연 시간. 출력이 0에서 1로 변할 때 𝑡𝑃𝐿𝐻와 출력이 1에서 0으로 변할 때 𝑡𝑃𝐻𝐿를 측정한다.

입력이 50%가 될 때부터 출력이 50%가 될 때까지 측정!!

 

 

2) 전력 소모

𝑃𝐶𝐶=𝑉𝐶𝐶∗𝐼𝐶𝐶​ → 전력 = 전압 * 전류

 

 

3) 잡음 여유도

출력과 입력 사이에 존재하는 식별 전압의 차이값. → 논리 회로에서 입력 전압의 잡음을 견뎌낼 수 있는 회로의 능력을 잡음 면역이라고 하며, 잡음 면역의 정도를 잡음 여유도라고 한다.

• High 레벨 잡음 여유도 𝑉𝑁𝐻=𝑉𝑂𝐻(𝑀𝐼𝑁)−𝑉𝐼𝐻(𝑀𝐼𝑁)
• Low 레벨 잡음 여유도 𝑉𝑁𝐿=𝑉𝐼𝐿(𝑀𝐴𝑋)−𝑉𝑂𝐿(𝑀𝐴𝑋)

 

 

4) 팬-인과 팬-아웃

• 팬-인: 한 개의 게이트 입력에 접속할 수 있는 최대 입력단의 수. TTL NAND 게이트의 경우 2, 3, 4, 8개. → 더 많이 원하면 게이트를 여러 개 연결.
• 팬-아웃: 한 게이트에서 다른 게이트로의 연결 가능한 최대 출력단의 수.

5) 싱크 전류와 소스 전류

• 싱크 전류: 출력 쪽으로 흘러 들어오는 전류. 칩의 출력이 Low(0V)일 때 동작 16mA까지 가능.
• 소스 전류: 출력에서 바깥족으로 흘러 나가는 전류. 칩의 출력이 High(+𝑉𝐶𝐶)일 때 동작 0.25mA 이하.

6) 풀-업 저항과 풀-다운 저항

여러 가지 입력으로부터 안전하게 동작할 수 있게 하는 것.

• 풀-업 저항: 전원 쪽으로 연결할 때 사용
• 풀-다운 저항: 접지 쪽으로 연결할 때 사용

7) IC 계열별 특징

• TTL: BJT와 다이오드로 구성된 IC
• CMOS: NMOS와 PMOS, FET로 구성된 IC