1한국기술교육대학교 전기전자통신공학부

1. 논리 레벨

2. NOT 게이트와 버퍼 게이트

3. AND 게이트

4. OR 게이트

5. NAND 게이트

6. NOR 게이트

7. XOR 게이트

8. XNOR 게이트

9. 정논리와 부논리

10. 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 F

진리표 동작파형 논리회로 기호

스위칭 회로트랜지스터 회로

IC 7404

'XXF ==논리식

X F

X

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 출력

하는 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) 버퍼

출력이 3개 레벨(High, Low, 하이 임피던스) 중의 하나를 갖는 논리소자

진리표 논리 기호

IC 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 게이트의 기본 개념(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

논리회로 기호

YXXYF ×==

0 0 1 01

1 10 0

X

Y

0 0F 0 1 0

0

XY F

논리식

Section 03 AND 게이트

7한국기술교육대학교 전기전자통신공학부

AND 게이트의 회로 표현과 IC

스위칭 회로

트랜지스터 회로

IC 7408

X

F

Y

+VCC

X

F

Y

R

8한국기술교육대학교 전기전자통신공학부

AND 게이트의 기본 개념(3입력)

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

논리회로 기호ZYXXYZF ××==

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

9한국기술교육대학교 전기전자통신공학부

OR 게이트의 기본 개념(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

진리표동작파형

논리회로 기호

YXF +=

0 0 1 01

1 10 0

X

Y

0 1F 11 0

0

FXY

논리식

Section 04 OR 게이트

10한국기술교육대학교 전기전자통신공학부

OR 게이트의 회로 표현과 IC

스위칭 회로

트랜지스터 회로

IC 7432

X

FY

11한국기술교육대학교 전기전자통신공학부

OR 게이트의 기본 개념(3입력)

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

12한국기술교육대학교 전기전자통신공학부

q NAND 게이트의 기본 개념(2입력)

v 입력이 모두 1인 경우에만 출력은 0이 되고, 그렇지 않을 경우에는 출력은 1이된다.

v 이 게이트는 AND 게이트와는 반대로 작동하는 게이트로서, NOT AND의 의미로 NAND 게이트라고 부른다.

X Y F0 0 10 1 11 0 11 1 0

진리표

동작파형

논리회로 기호

YXXYF ×==

0 0 1 01

110 0

X

Y

1 1F 1 0 1

0

논리식

XY

F

Section 05 NAND 게이트

13한국기술교육대학교 전기전자통신공학부

q NAND 게이트의 기본 개념(3입력)

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

논리회로 기호

ZYXXYZF ××==

0 1X

Y

000 111 0

100 1 100 1 0

10 10 10 10 0Z

10111 1 11F 1

논리식

XYZ

F

14한국기술교육대학교 전기전자통신공학부

q NAND 게이트의 IC

IC 7400 IC 7410

15한국기술교육대학교 전기전자통신공학부

q NOR 게이트의 기본 개념(2입력)

v 입력이 모두 0인 경우에만 출력은 1이 되고, 입력 중에 하나라도 1이 있는경우는출력은 0이된다.

v 이 게이트는 OR 게이트와는 반대로 작동하는 게이트로서, NOT OR의 의미로NOR 게이트라고 부른다.

X Y F0 0 10 1 01 0 01 1 0

진리표

동작파형

논리회로 기호

YXF +=

0 0 1 01

110 0

X

Y

1F 0 1

0

0 0

XY F

논리식

XY F

Section 06 NOR 게이트

16한국기술교육대학교 전기전자통신공학부

q NOR 게이트의 기본 개념(3입력)

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

논리회로 기호ZYXF ++=

0 1X

Y

000 111 0

100 1 100 1 0

10 10 10 10 0Z

0 11 000 0 00F

논리식

XYZ

F

17한국기술교육대학교 전기전자통신공학부

q NOR 게이트 IC

IC 7402 IC 7427

18한국기술교육대학교 전기전자통신공학부

q XOR 게이트의 기본 개념(2입력)

v 입력 중 홀수 개의 1이 입력된 경우에 출력은 1이 되고 그렇지 않은 경우에는출력은 0이 된다.

v 2-입력 XOR 게이트의 경우, 두 개의 입력 중하나가 1이면출력이 1이 되고, 두개의입력 모두가 0이거나또는 두개의 입력모두가 1이라면출력은 0이된다.

X Y F0 0 00 1 11 0 11 1 0

진리표

동작파형

논리회로 기호

YXYXYXF +=Å=

0 0 1 01

110 0

X

Y

1F 0 1

0

00

논리식

XY F

Section 07 XOR 게이트(Exclusive-OR)

19한국기술교육대학교 전기전자통신공학부

q XOR 게이트의 기본 개념

AND-OR 게이트로 표현

IC 7486

X

Y

F

YXYXYXF +=Å=

20한국기술교육대학교 전기전자통신공학부

q XOR 게이트의 기본 개념(3입력)

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

21한국기술교육대학교 전기전자통신공학부

q XNOR 게이트의 기본 개념(2입력)

v 입력 중 짝수 개의 1이 입력될 때 출력이 1이 되고, 그렇지 않은 경우에는 출력은 0이 된다.

v 출력값은 XOR 게이트에 NOT 게이트를 연결한 것이므로 XOR 게이트와 반대이다.

v 2-입력 XNOR 게이트의 경우 두 개의 입력이다를 때 출력이 0이 되고, 두 개의입력이같으면 출력은 1이된다.

X Y F0 0 10 1 01 0 01 1 1

진리표

동작파형

논리회로 기호

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)

22한국기술교육대학교 전기전자통신공학부

q XNOR 게이트의 기본 개념(3입력)

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

논리회로 기호

Z Y X ZYXF =ÅÅ= ⊙⊙

0 1X

Y

000 111 0

100 1 100 1 0

10 10 10 10 0Z

1111 000 10F

IC 74266

논리식

XYZ

F

23한국기술교육대학교 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

24한국기술교육대학교 전기전자통신공학부

q 정논리와 부논리간의 게이트 대응

정논리 ↔ 부논리 정논리 ↔ 부논리

AND OR XOR XNOR

OR AND XNOR XOR

NAND NOR NOT NOT

NOR NAND

25한국기술교육대학교 전기전자통신공학부

v 전력소모 : 게이트가 동작할 때 소모되는 전력량

v 지연시간 : 신호가 입력되어서 출력될 때까지의 시간을 말하며, 게이트의 동작 속도이다.

v 팬-아웃 : 하나의 게이트의 출력으로부터 다른 여러 개의 입력들로 공급되는 전류.

v 정상적인 동작으로 하나의 출력이 최대 몇 개의 입력으로 연결되는가를나타낸다.

v 잡음여유도 : 최대로 허용된 잡음 마진

Section 10 게이트의 전기적 특성

26한국기술교육대학교 전기전자통신공학부

1. 전파지연시간(gate propagation delay time)

v 신호가 입력되어서 출력될 때까지의 시간을 말하며, 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

27한국기술교육대학교 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 : L에서 H로 변할 때의 전파지연시간 tPLH : H에서 L로 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

28한국기술교육대학교 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 유형으로구분•일반적 출력은 토템폴 사용• 개방 컬렉터 출력 : LED 구동, 릴레이(relay) 구동, 공통 버스의 구성 또는 연결 논리의 구현 시에 사용. 비교적 많은 전류를사용하기 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

29한국기술교육대학교 전기전자통신공학부

TTL 3 상태 출력

<3 상태 버퍼 게이트> <반전 3 상태 버퍼 게이트>

• 3상태 출력- 공통 버스를 구현할 때는 3상태(three-state 또는 tri-state) 출력을많이 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

30한국기술교육대학교 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 허용된 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

31한국기술교육대학교 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

LS-TTL의 입출력 레벨

입력신호 X(신호+잡음) 출력신호 F

Noise

BAVo Vi

출력레벨 입력레벨

H

L

H

L

32한국기술교육대학교 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 각각구하여 그중 작은값

v 팬-인은 1 개의게이트에 입력으로 접속할수 있는단수를 의미.

출력이 H 레벨일 때 출력이 L 레벨일 때

2002.04.0

(max)(max)

==mA

mAII

IH

OH 204.0

8(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

33한국기술교육대학교 전기전자통신공학부

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

v 싱크전류 : 출력 쪽으로 전류가 흘러 들어간다는 의미

v 소스전류 : 출력에서 바깥으로 전류가 흐른다는 의미

소스전류로 점등싱크전류로 점등

74시리즈 TTL의 경우에 많은 칩에서 싱크전류는16mA까지 가능하며, 소스전류는 0.25mA 이하다

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.

34한국기술교육대학교 전기전자통신공학부

v 높은 팬-아웃 IC를 LSI 출력 측에 접속하기 위한 소자로서 74LS06, 74LS07과같은 버퍼를 사용한다.

v 이들은 게이트에 외부로부터 공급되는 싱크전류를 40mA까지 허용하며, 게이트가 공급하는 소스전류는 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

35한국기술교육대학교 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 불확실한 입력신호가 될 수 있다.

7404switch 7404

switch

Vcc

36한국기술교육대학교 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

≤ −

≤

>≥

37한국기술교육대학교 전기전자통신공학부

7. IC 계열별 특징

v 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

개발된 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.