1. 디지털공학실험의기초 -...

1. 디지털공학 실험의 기초

2005. 3. 17

김태형ㆍ김병호

경성대학교 전기전자ㆍ메카트로닉스 공학부

디지털공학실험의 목적강좌1.강좌1.

수동소자+능동소자+집적회로 >> 응용전자회로의 실험 및 이해

아날로그회로와 디지털회로의 비교

아날로그회로 : 수동소자 및 능동소자를 이용하여 연속인 신호를 처리

디지털회로 : 집적회로를 이용한 이산적인 신호를 처리

디지털회로의 장단점

장점 : 0/1의 논리조합을 통하여 손쉽게 상황을 처리할 수 있다.

단점 : 실시간 처리가 어려우며, 정보의 손실이 발생할 우려가 있다.

아날로그회로(비교, 증폭)

디지털회로(비교, 증폭)

논리게이트와 집적회로강좌1.강좌1.

논리게이트 : 논리연산처리를 위해 조합된 특정기능의 회로(AND, OR, NOT, NOR, NAND, XOR등이 기본게이트에 포함)

구조에 따른 분류 : TTL(Transistor-Transistor Logic), ELC (Emitter Copled

Logic), CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 등

논리게이트의 입출력 표현(전압준위에 따라 구분)

정논리 : 기준 전압준위 이상일 경우 ‘1’로 표현부논리 : 기준 전압준위 이하일 경우 ‘1’로 표현

0 1 0 1 0 0

0[V]

5[V]High Voltage Level : 2.0[V]

Low Voltage Level : 0.8[V]정논리게이트

1 0 1 0 1 1

0[V]

5[V]High Voltage Level : 2.0[V]

Low Voltage Level : 0.8[V]

부논리게이트

논리게이트와 집적회로강좌1.강좌1.

논리게이트의 형태

1

2

3

4

5

6

7

14

13

12

11

10

9

8

그림. 14pin DIP type 7400의 구조와 핀배열

논리소자(TTL, CMOS의 특성)강좌1.강좌1.

논리소자의 종류에 따른 표기 형식

부계열은 소자에서 회로를 구성하기 위해 사용한 부품에 따라 부여, 각 구성에 따라 소비전력, 동작속도 및 기타 특성이 다름

부계열은 TTL형태일 경우 S, H, L, LS, ALS, AS, F등

CMOS형태일 경우 HC, HCT, AC, ACT등

CMOS형태의 소자를 사용할 경우 소자의 최대 공급전류를 확인하여 사용하여야 함

7454[ ]

제조사 부계열 게이트의 번호

논리소자(TTL, CMOS의 특성)강좌1.강좌1.

TTL소자와 CMOS소자의 특성비교

항목 TTL(LS계열) CMOS(HC계열)

전파지연(ns) 9.5 8

게이트당 소비전력(mW) 2 0.075

최대동작주파수(MHz) 33 55

팬아웃 (LS 부하) 20 10

공급전원범위 4.75~5.25 2~6

입력전압VILMax : 0.8

VIHmin : 2.0

VILMax : 1.35

VIHmin : 3.15

출력전압VOLmax : 0.4

VOHmax : 2.7

VOLmax : 0.1(20uA부하)

VOHmax : 4.4(20uA부하)

잡음여유폭VNMH : 0.4

VNML : 0.7

VNMH : 1.25

VNML : 1.25

장점전력소비가 작음. 잡음여유가 큼, 낮은 전압에도 동작이 가능

단점동작속도가 빠름, 전류구동능력이 커 팬아웃(Fan-out)이 많음

논리소자(TTL 소자의 동작원리)강좌1.강좌1.

1. A가 V(0)=0.2[V]일때 Q1은 순방향 바이어스2. Q1과 Q2가 off라면 Q1의 콜렉터로 들어가는 전

Ic1은 Q2의 이미터에 역방향 포화전류와 같음.3. P점의 전압 Vp=V(0)+Vce(sat)=0.2+0.4[V]이므

로 Q2를 켜주기에는 작음, 그러므로 Q3도 off4. 결과적으로 출력은 Vcc5. A와 B가 모두 Vcc일 경우 Q1의 이미터는 역방향

콜렉터는 순방향 바이어스됨6. 그러므로 Q1은 반전모드로 동작, 전류이득은 1보

다 작게 되며, Ic1=-(1+Br)IB1이므로 Q2와 Q3가충분히 포화되어 출력은 0가된다.

• 팬인(Fan-in)한 입력에 연결할 수 있는 최대 게이트의 수

• 팬아웃(Fan-out)한 출력에 연결할 수 있는 최대 게이트의 수

그림. TTL NAND 소자의 구조

논리소자(TTL소자의 동작원리)강좌1.강좌1.

토플템 (능동적 풀업, Active pull-up)

1. 입력용량 및 부유용량 발생2. R4ㆍCi에 해당되는 시간지연 발생3. R4감소를 통해 시간지연을 줄임4. 출력이 0일 경우 소비전력증가5. 소비전력 감소를 위해 Q4사용

논리소자(TTL소자의 동작원리)강좌1.강좌1.

콜렉터 개방형 TTL일 경우풀업저항이 필요

콜렉터 개방형 TTL

토플템회로를 이용시 발생하는 다량의전류에 의한 소자의 파괴를 보완하기위해 트렌지스터의 콜렉터를 개방시킨형태의 TTL

논리소자(CMOS소자의 동작원리)강좌1.강좌1.

소자 1 소자 2

소자 3

소자 4

소자 1

소자 2

소자 3 소자 4

소자 1

소자 2

A가 1일 경우소자 1은 P형이므로 Off소자 2는 N형이므로 On>> 출력은 GND

A가 0인 경우소자 1은 P형이므로 On소자 2는 N형이므로 Off>> 출력은 Vcc

A가 0, B가 0일 경우소자 1 On, 소자 2 On 소자 3 Off, 소자 4 Off>> 출력은 Vcc

A가 0, B가 1일 경우소자 1 Off, 소자 2 On, 소자 3 off, 소자 4 On>> 출력은 Vcc

A가 1, B가 0인 경우>>위와 동일하게 출력은 Vcc

A가 1, B가 1일 경우소자 1 Off, 소자 2 Off, 소자 3 On, 소자 4 On>> 출력은 GND

A가 0, B가 0일 경우소자 1 On, 소자 2 On 소자 3 Off, 소자 4 Off>> 출력은 Vcc

A가 0, B가 1일 경우소자 1 On, 소자 2 Off, 소자 3 Off, 소자 4 On>> 출력은 GND

A가 1, B가 0인 경우>> 위와 동일하게 출력은 GND

A가 1, B가 1일 경우소자 1 Off, 소자 2 Off, 소자 3 On, 소자 4 On>> 출력은 GND

논리소자(CMOS소자와 TTL소자의 연결)

강좌1.강좌1.

CMOS를 통한 TTL 구동(전류능력)전류 공급원으로서의 능력은 강하나 전류싱크(sink)로서는 미약하므로 최대 팬아웃은 최대출력전류(IOL)에 의해 결정

TTL을 통한 CMOS의 구동(전압능력)TTL소자의 출력전압값에 따라 최대 팬아웃이 의존(CMOS는 전류값이 작으므로구동전류에는 큰 영향을 미치지 않음)

부울대수 및 카노도표(부울대수)

강좌1.강좌1.

“0”과 “1”의 논리연산에서의 기본연산을 정의

부울대수 및 카노도표(부울정리)강좌1.강좌1.

기본법칙을 이용하여 논리식을 간소화 시키기 위한 기본 정리

( )

( )( )

( )( )

( )( )

( )( )

A AB A B

A A B ABA AB AA A B AAB AC A B CA B A C A BC

A B A B

AB A B

A B A C AC AB

AB AC A C A B

+ = +

+ =+ =+ =+ = ++ + = +

+ =

= +

+ + = +

+ = + +

i

부울대수 및 카노도표(카르노도표)강좌1.강좌1.

A B C X

0 0 0 1

0 0 1 0

0 1 0 0

0 1 1 0

1 0 0 1

1 0 1 1

1 1 0 1

1 1 1 1

X가 참일 경우만 고려한다.각 입력의 열은 AND로 각 행은 OR로 묶는다.불대수를 이용하여 간략화 하면 아래와 같다.

①

②③④⑤

ABC

ABC

ABC

ABCABC

C AB 00 01 11 10

0 1 1

1

1

1 1

① ②

③

④

⑤

실험 1. 기본논리게이트

2005. 3. 17

김태형ㆍ김병호

경성대학교 전기전자ㆍ메카트로닉스 공학부

NOT GATE(인버터)

입력을 반전시킴(입력이 1이면 출력은 0, 입력이 0이면 출력은 1).

AND GATE

모든 입력이 1일 경우 출력이 1(하나의 입력이라도 0이면 출력이 0).

기본논리게이트

A X

0 1

1 0

실험1.실험1.

A B X

0 0 0

0 1 0

1 0 0

1 1 1

디지털공학실험, 김태형, 김병호, 2005.03.17(목요일)

AX=A

A

B X=AㆍB

OR GATE

입력 중 하나라도 1이면 출력이 1(입력이 모두 0일 경우에만 출력이 0)

NAND GATE

모든 입력이 1일 경우 출력이 1(하나의 입력이라도 0이면 출력이 0).


A B X

0 0 0

0 1 1

1 0 1

1 1 1

실험1.실험1.

A B X

0 0 1

0 1 1

1 0 1

1 1 0


A

B

A

B

X=A + B

X=AㆍB

NOR GATE

입력 중 하나라도 1이면 출력이 0(입력이 모두 0일 경우에만 출력이 1)

XOR GATE

입력이 다를 경우에만 출력이 1(하나가 0이고 하나가 1일 경우 출력이 1)

같은 입력이면 0을 출력


A B X

0 0 1

0 1 0

1 0 0

1 1 0

실험1.실험1.

A B X

0 0 0

0 1 1

1 0 1

1 1 0


A

B X=A + B

A

BX=A + B

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