Microsoft PowerPoint - Chap.11(완성)

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혜원 채
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Digital Fundamentals Tenth Edition Floyd Chapter 11 2009 Pearson Education, Upper 2008 Pearson Saddle River, Education NJ

특정소자에대한정보를얻기위해데이터시트를사용한다. 게이트의팬 - 아웃을정의하고설명한다. 부품레벨에서 TTL 과 CMOS 의기본동작원리를설명한다.

1 Digital Fundamentals Tenth Edition Floyd Chapter Pearson Education, Upper 2008 Pearson Saddle River, Education NJ All Rights Reserved 11 장. 집적회로기술 학습목표 데이터시트에제시된파라미터 ( 공급전압, 논리레벨, 잡음여유, 전력소모, 전파지연, 속도 - 전력곱 ) 등을정의하고, 이를설명한다. 특정소자에대한정보를얻기위해데이터시트를사용한다. 게이트의팬 - 아웃을정의하고설명한다. 부품레벨에서 TTL 과 CMOS 의기본동작원리를설명한다. TTL 의출력구조인토템폴출력과개방컬렉터출력구조를비교하고, 사용할때의제한사항에대해설명한다. 와이어드 -OR 구조를설명한다. 3- 상태회로의동작을설명한다. 사용하지않는게이트의입력을처리하는방법을설명한다. TTL 과 CMOS 패밀리의성능을비교한다. 정전기로부터 CMOS 소자를보호하는방법을설명한다. ECL, PMOS, NMOS 회로를설명한다 1

2 디지털 IC 의파라미터 디지털 IC 제조회사의데이타시트에명시된용어를이해하고, 이를활용하는방법은중요. 공급전압, 논리레벨, 잡음여유, 전력소모, 전파지연, 속도 - 전력곱, 팬 - 아웃등을정의되어있음. DC 공급전압 TTL(transistor-transistor logic) 소자 : +5V CMOS (complementary metal-oxide semiconductor) 소자 : 소자의종류에따라각기다른공급전압 (+5V, +3.3V, 2.5V 와 1.2V) 으로동작 전원및전류규격 < 두논리상태에서의전류와전압 > 2

V JH (min) : High-Level Input Voltage 입력에서논리 1 에필요한전압레벨. 이레벨이하의전압은논리회로에서 HIGH 로받아들이지않음.

V OH (min) : High-Level Output Voltage 논리회로출력에서논리 1 을나타내는전압레벨.

I JH : High-Level Input Current 높은레벨의전압이입력으로인가되었을때입력으로흐르는전류.

3 V JH (min) : High-Level Input Voltage 입력에서논리 1 에필요한전압레벨. 이레벨이하의전압은논리회로에서 HIGH 로받아들이지않음. V JL (max) : Low-Level Input Voltage 입력에서논리 0 에필요한전압레벨. 이레벨이상의전압은 LOW 로받아들이지않음. V OH (min) : High-Level Output Voltage 논리회로출력에서논리 1 을나타내는전압레벨. V OL (max) : Low-Level Output Voltage 논리회로출력에서논리 0 을나타내는전압레벨. I JH : High-Level Input Current 높은레벨의전압이입력으로인가되었을때입력으로흐르는전류. I JL : Low-Level Input Current 낮은레벨의전압이입력으로인가되었을때입력으로흐르는전류. I OH : High-Level Output Current 특정부하조건하에서논리 1 상태에있는출력으로부터흐르는전류. I OL : Low-Level Output Current 특정부하조건하에서논리 0 상태에있는출력으로부터흐르는전류. CMOS 와 TTL 논리레벨 3

4 잡음내성 (Noise Immunity) 전기와자계의산란은논리회로사이의연결선에전압을유기시킬수있다. 이런원하지않는신호를잡음이라하며, 때때로입력단에서 V IH (min) 이하또는 V IL (max) 이상의전압을발생시켜, 예측할수없는동작을일으킬수있다. 잡음내성 : 입력단에서회로가잡음전압을보상할수있는능력 잡음여유 (Noise Margin) 회로에서잡음내성의척도 High 상태잡음여유 (V NH ) : VNH = V OH (min) - V IH (min) Low 상태잡음여유 (V NL ) : V NL = V IL (max) - V OL (max) DC 잡음여유 4

P D (avg) = I CC (avg) V CC 전력 - 속도곱 일반적으로전파지연이좀더짧고 ( 고속 ) 전력소비가더적은 ( 저전력 ) 게이트가바람직 모든 IC 의성능측정과비교기준은게이트의전파지연과 speed-power product 임.

5 전력소모 모든 IC 들을동작시키려면어느정도의전력이필요하다. IC 가필요로하는전력량 : V CC 전원에서공급되는전류 I CC 에의해결정. 실질전력량 : I CC V CC 값 많은 IC 에서의전원으로부터의전류공급계산방식은 IC 내회로의논리상태에따른다. 일반적으로 ICCH 와 ICCL 은다른값을가지므로, 평균전류값은 I CC (avg) = I CCH + I CCL / 2 이고, 다음과같이평균전력공급을계산할때사용될수있다. P D (avg) = I CC (avg) V CC 전력 - 속도곱 일반적으로전파지연이좀더짧고 ( 고속 ) 전력소비가더적은 ( 저전력 ) 게이트가바람직 모든 IC 의성능측정과비교기준은게이트의전파지연과 speed-power product 임. 예 ) IC 군의평균전파지연시간이 10 ns이고, 평균소비전력이 5 mw일때의속도 - 전력곱은 10 ns 5 mw = watt_second = 50 picojoules (pj) * 전파지연이ns이고전력이mW일때, 속도 - 전력곱은 picojoule 이다. 기본적으로 TTL 회로의전력소모는허용동작주파수범위내에서는일정하다. CMOS 의전력소모는주파수에따라다르다. CMOS 의전력소모는정적 (DC) 상태에서는매우낮지만, 주파수가높아질수록증가한다. 5

6 전파지연 논리신호는항상회로를통과할때지연이발생한다. 두가지전파지연시간은다음과같다. t PHL : 논리 0 에서 1 상태로전이할때의지연시간 (LOW to HIGH) t PLH : 논리 1 에서 0 상태로전이할때의지연시간 (HIGH to LOW) 전파지연시간의예 부하와팬 - 아웃 구동게이트 : 출력게이트 부하게이트 : 구동게이트에연결되어있는게이트 전류의유입및유출 전류의유출 (sourcing) : TTL 구동게이트의출력이 HIGH 상태일때부하게이트로입력되는전류 (I IH ) 전류의유입 (sinking) : TTL 구동게이트의출력이 HIGH 상태일때구동게이트로유입되는전류 (I IL ) 6

7 TTL 부하 (HIGH 상태 ) 부하가증가하면, 구동게이트에서공급해야하는전류가증가하게되어구동게이트의전압강하로나타나게됨. 출력 V OH 가낮아지고, V OH 가 V OH (min) 보다낮아지게되어 HIGH 의잡음여유가감소하게됨. 또한총공급전류가증가하면구동게이트의전력소모도증가함. TTL 부하 (LOW 상태 ) 부하가증가하면, 구동게이트로유입되는전류가증가하게되어구동게이트의전압강하가증가함. V OL 을증가하게되고, V OL 은 V OL (max) 보다더높아지게되어 LOW- 레벨의잡음여유가감소함. 7

8 팬 - 아웃 TTL 부하의영향으로인해구동할수있는게이트수가제한됨. 팬 - 아웃 : 출력이신뢰도를유지하며구동할수있는표준논리입력의최대수또는얼마나많은입력이하나의 IC 에의해구동될수있는가를나타내는척도. 팬 - 아웃은구동게이트의전류구동량 [I OL (max), I OH (max)) 와각입력전류 [I IL (max),i IH (max)) 이요구하는양에의해결정 Fan-Out (LOW) = I OL (max)/i IL (max) Fan-Out (HIGH) = I OH (max)/i IH (max) 예를들어, 74 시리즈의경우를살펴봄. 전류값 MIN NOM MAX 단위 I OH I OL I IH I IL ma ma ua ma 주의 : I IL 에대한입력은실제로 -1.6 ma이다. 음의부호는전류가입력단자로부터흘러나온다는것을나타내기위해사용된다. 팬 - 아웃계산시, 음의부호는무시할수있다 NAND 게이트출력이구동할수있는 7400 NAND 게이트입력은몇개인가? IOL(max) 16mA 팬 아웃( LOW ) = = = 10 I (max) 1.6mA IL IOH (max) 400uA 팬- 아웃( HIGH) = = = 10 I (max) 40uA IH 팬 - 아웃 (LOW) 와팬 - 아웃 (HIGH) 가같기때문에, 팬 - 아웃은 10 이다. 8

9 74ALS20 NAND 게이트가다른 74ALS20 을얼마나구동할수있는지를결정하라. 전류값 MIN NOM MAX 단위 I OH -0.4 ma I OL 4 ma I IH 20 ua I IL -0.1 ma IOL(max) 8mA 팬 아웃( LOW ) = = = 80 I (max) 0.1mA IL IOH (max) 400uA 팬- 아웃( HIGH) = = = 20 I (max) 20uA IH 만일팬 - 아웃 (LOW) 와팬 - 아웃 (HIGH) 가같지않다면팬 - 아웃은둘중작은것으로선택되어진다. 따라서팬 - 아웃은 20 이다. 단위부하 (Unit Load) 일부제작자들은소자들의입출력전류를단위부하 (unit load : UL) 를이용해서지정한다. 1 unit load (UL) = 예 ) 한 IC 가두상태에서 10 UL 의팬 - 아웃을가지고있다면다음과같이정의됨. I OH (max) = μa = 400 μa I OL (max) = ma = 16 ma유사하게, IC 입력이두상태에서 1 UL 이라면다음과같다. I IH (max) = 1 40 μa = 40 μa I IL (max) = ma = 1.6 ma 9

10 CMOS 부하 구동게이트의출력저항과부하게이트의입력캐패시턴스와관련된충전시간과방전시간이제한요인으로작용한다. 구동게이트의출력이 HIGH 이면부하게이트의입력캐패시턴스는구동게이트의출력저항을통해충전되고, 구동게이트의출력이 LOW 이면입력캐패시턴스는방전된다. 구동게이트의출력에부하게이트가많이연결될수록입력캐패시턴스가병렬로연결되어있는것과같이동작하므로총캐패시턴스는증가한다. 이와같이총캐패시턴스가증가하면, 충전과방전시간도많이걸리고게이트가동작할수있는최대주파수가낮아진다. 따라서 CMOS 게이트의팬 - 아웃은동작주파수에따라다르게된다. 부하게이트의입력이적을수록최대주파수는더높아진다. 바이폴라접합트랜지스터 11.2 TTL 회로 모든 TTL 회로에사용되는능동스위칭소자 TR ON( 포화상태 ) : 베이스의전압이에미터의전압보다약 0.7V 정도높은상태로전류가충분히베이스에공급되는상태 TR OFF( 차단상태 ) : 베이스의전압이에미터의전압보다더높더라고그차이가 0.7V 보다작으면, 트랜지스터는 OFF 로됨. npn BJT 의기호 TR ON 상태 TR OFF 상태 10

11 11.2 TTL 회로 TTL 반전기회로 Q 1 : 입력결합트랜지스터 (input coupling transistor) D 1 : 입력클램프다이오드 (input clamp diode) 트랜지스터 Q 2 : 상분배기 (phase splitter) Q 3 과 Q 4 의조합 : 토템 - 폴 (totem-pole) 구조의출력회로 11.2 TTL 회로 입력이 HIGH 인경우 입력이 LOW 인경우 다이오드 D 1 : 입력으로들어오는음의스파이크로인하여 Q 1 이손상되는것을방지하기위함. 다이오드 D 2 : Q 2 가 ON 상태 (HIGH 입력 ) 일때 Q 4 가확실히 OFF 상태로되게한다. 이상태에서 Q 2 의컬렉터전압은, Q 3 의베이스 - 에미터전압 (V BE ) 과 Q 2 의컬렉터 - 에미터전압 (V CE ) 의합과같다. 다이오드 D 2 는 Q 2 가 ON 일때, Q 4 의베이스 - 에미터접합과직렬로 V BE 와동일한전압을추가로강하시켜 Q 4 가확실하게 OFF 되도록한다. 11

12 TTL NAND 게이트회로 11.2 TTL 회로 TTL 멀티 - 에미터트랜지스터와등가인다이오드회로 기타 TTL 게이트회로 74L 과 74H 시리즈 11.2 TTL 회로 74L 과 74H 시리즈는각각저전력과고속 TTL 시리즈로개발되었다. 74L 은낮은전력 (1 mw ) 을소비하지만더큰전파지연 (33 ns ) 을가지며, 74H 시리즈는높은속도로전파지연은감소 (6 ns ) 되나더높은전력을소비 (23 mw ) 한다. 쇼트키 TTL, 74S 시리즈 쇼트키 (Schottky) 다이오드를사용하여스위치시간을개선 74S00 NAND 게이트는평균전파지연 3 ns를가짐. 74S 시리지의내부회로는스위칭시간개선을위해작은저항값을사용하므로, 평균전력소모를증가시킴 (20mW 정도 ) 12

13 11.2 TTL 회로 74LS 시리즈 더낮은전력, 더느린속도버전 (version) 이것은쇼트키클램프트랜지스터 (Schottky clamped transistor) 를사용하나, 74S 시리즈보다더큰저항값을이용한다. 74S 시리즈보다더큰저항값은회로가요구하는전력을감소시키는반면스위칭시간이길어지게되었다. 74LS 시리즈의 NAND 게이트는일반적으로평균전파지연 9.5 ns를가지며, 평균소비전력 2 mw를가진다. 훨씬적은전력요구에서표준 TTL 시리즈로같은스위칭속도를지니기때문에, TTL 군의대들보가되었다. 74AS 시리즈 개선된쇼트키 (74 AS), 개선된저전력쇼트키 (74 ALS) 74AS 는입력전류요구 (I IL, I IH ) 가보다작고 74S 시리즈보다더큰팬 - 아웃을가지도록향상되었다. 이러한장점때문에, 74AS 는모든고속응용에서 74S 시리즈를대체하고있다. 74AS 는 74LS 보다속도와전력소비모두개선된것이다. 74ALS 시리즈는 TTL 시리즈중가장낮은속도 - 전력곱을갖고있으며, 또가장낮은게이트전력소모 (74L 은 1 mw ) 를갖는다 TTL 회로 TTL 시리즈의비교 74 74S 74H 74S 74LS 74AS 74ALS 성능지표 전파지연시간 (ns) 전력소모 (mw) 속도 - 전력곱 (pj) 최대동작속도 팬 - 아웃 ( 동일계열 ) 전압파라미터 V OH (min) V OL (max) V IH (min) V IL (max)

14 11.3 TTL 사용시고려사항 TTL 에서의전류유입및유출 I IL =1.6mA I IH =40uA 전류유입 : TTL 논리회로는 LOW 상태로구동되고있을때, 구동하고있는게이트의입력으로부터전류를유입받고있는상태 Q 4 : current sinking transistor 또는 pull-down transistor. 전류공급 : TTL 출력은 HIGH 상태에서전류원으로작동한다. Q 3 : current sourcing 또는 pull-up transistor TTL 사용시고려사항 개방 - 콜렉터구조 개방콜렉터형태의회로는 Q 3, D 1, R 4 를제거하고, 출력은 Q 4 의컬렉터에서얻어지도록연결 출력이 LOW 상태에서 Q4 는 ON( 베이스전류를가짐 ) 되고, 출력이 HIGH 상태에서는 Q 4 는 OFF( 근본적으로개방회로 ) 된다. 적절한동작을위하여외부 pull-up 컬렉터저항 R P 를연결하여사용. R P 가없으면 Q 4 가 OFF 될때출력전압이없다. 14

15 11.3 TTL 사용시고려사항 와이어드 -AND 동작 개방 - 컬렉터게이트의출력을서로직접연결하여와이어드 -AND(wired- AND) 구조를만들수있다. 외부풀 - 업 (pull-up) 저항 R P 가필요. 4- 입력네거티브 -AND 게이트 11.3 TTL 사용시고려사항 R P 의값 하나의게이트가 LOW 일때다른것은 HIGH 가되도록선택되어야하며, LOW 출력을통과하는 sink 전류는그의 IOL(max) 의한계를넘으면안된다. 출력은보통이 sink 전류에부가되는다른 TTL 부하를구동시키며, 총전류는 I OL (max) 를넘으면안된다. 그러므로 R P 의값은클수록좋다. 그러나이것은모든부하커패시턴스를 R P 를통하여충전시킬수있어야한다. 그러므로 R P 는스위칭속도를향상시키기위하여되도록작게만들어야한다. 비록 R P 를최소로하더라도, 이개방 - 컬렉터배열은토템폴 TTL 출력보다느리다. 여기서 Q 3 은부하커패시턴스를빠르게충전시키는낮은임피던스이미터폴로워로동작한다. 이와같은이유로개방 - 컬렉터회로는스위칭속도가중요하게작용하는곳에서는응용되지않는다. 15

16 11.3 TTL 사용시고려사항 개방 - 컬렉터버퍼 / 드라이버 토템 - 폴출력을가진 TTL 회로는 LOW 상태에서표준 TTL 은 16 ma까지, LS TTL 은 8 ma까지전류를유입할수있다. 그러나 LED, 램프, 또는릴레이와같이일반토템 - 폴회로보다더높은전류를요구하는외부소자를구동할경우가많이있다. 개방 - 컬렉터출력을갖는회로는높은전압과전류를구동할수있으므로 LED, 램프, 또는릴레이등을구동하는데사용된다. 예 ) 7406 은 LOW 상태에서 40 ma까지 sink 시킬수있는개방 - 컬렉터형의버퍼 / 드라이버 IC 은 30V 까지출력전압을조절할수있다. 이것은출력트랜지스터를 5V 보다큰전압에연결할수있다는것을의미한다 TTL 사용시고려사항 개방 - 콜렉터버퍼 / 드라이버 고전압, 고전류의 LAMP 를구동하는경우 LED 를구동하는경우 Q = 1 일때, 7406 출력은 LOW 가되고출력트랜지스터는 24V 전원으로부터공급받는 25 ma의램프전류를싱크시키고램프는켜진다. Q = 0 일때, 7406 출력트랜지스터는꺼지고전류가흘러갈경로가없으며램프는꺼진다. 이상태에서 24V 는 OFF 출력트랜지스터에나타나므로 VOH = 24V 이다. 이것은 7406 의최대 V OH 보다적다. 지시 LED 를구동 LED 의전류요구량에따라 7405 또는 7406 이사용될수있고, 저항은전류를안정한값으로제한하는데사용된다. 개방 - 컬렉터출력에대한 IEEE/ANSI 기호 ( 그림 참조 ) 16

17 11.3 TTL 사용시고려사항 토템 - 폴출력의연결 2 개혹은그이상의논리게이트들의출력끼리연결할때도있다. 이때는항상하나의게이트의출력은 LOW 이고다른출력은 HIGH 로연결된다. 먼저토템플출력들끼리함께연결될수없다. 만약게이트 A 의출력이 HIGH 상태 (Q 3A ON, Q 4A OFF) 이고, 게이트 B 의출력이 LOW 상태 (Q 3B OFF, Q 4B ON) 라고가정하자. 이상태에서 Q 4B 는 Q 3A 에의해매우작은저항부하로걸려있고 55 ma까지의전류가흐를것이다. 이전류는 Q 3B 또는 Q 4A 에쉽게손상을줄수있다. 이상태는 2 개이상의 TTL 출력이묶였을때더욱치명적이다 TTL 사용시고려사항 TTL 의기타특성 미사용 TTL 입력 TTL 게이트에서입력이연결되지않은상태로있으면, 입력트랜지스터의에미터접합이역방향으로바이어스된결과를초래하므로마치 HIGH 인것처럼동작한다. 즉, TTL 게이트에서미사용입력은 HIGH 입력으로동작한다. ( 플로팅 (floating) 상태의입력 ) 17

18 11.3 TTL 사용시고려사항 미사용 TTL 입력의처리 11.3 TTL 사용시고려사항 과도전류 토템폴 TTL 출력이 LOW 에서 HIGH 로될때마다고 - 진폭전류스파이크가 VCC 전원으로부터유기된다. 전압스파이크는어떤형태의필터링을사용하지않으면스위칭변환동안에심각한장애를일으키는원인이될수있다. 가장보편적인기술은이러한고주파스파이크를근본적으로제거하기위하여 VCC 에서 GROUND 로연결된적은라이오주파수커패시터를사용한다. 이것을전원디커플링 (power supply decoupling) 이라한다. 회로보드상에각각의 TTL IC 근처의 VCC 와접지사이에저인덕턴스의 0.01 μf또는 0.1 μf세라믹디스크커패시터를연결하여야한다. 커패시터리드는시리즈인덕턴스를최소화하도록매우짧게유지되어야한다. 18

19 3- 상태 TTL 11.3 TTL 사용시고려사항 HIGH, LOW, Hi-Z (High Impedance) Hi-Z 상태 : 토템폴배열에서양트랜지스터가꺼진상태로, 출력단자는접지와 VCC 사이의높은저항상태이다. 출력단자는 LOW 도아니고 HIGH 도아닌개방또는플로팅상태로되고, 실제로출력단자는정확한개방회로는아니고, 접지와 VCC 와연관되어서수메가옴또는그이상의저항을가진다 TTL 사용시고려사항 3 상태의장점 3- 상태 IC 의출력은개폐속도의희생없이병렬로연결할수있다. 이것은구동상태에서 3- 상태출력이 LOW 임피던스, 빠른속도의특징을가진토템폴출력으로동작하기때문이다. 그러나 3- 상태출력은병렬일때는그들중단하나만이한번에구동될수있다는것을알아야한다. 3 상태버퍼 19

20 11.3 TTL 사용시고려사항 3 상태버퍼의활용 3 상태버퍼는여러신호를공통선 ( 버스 ) 에연결하는곳인회로에서많이응용된다. 3 상태출력이그림에서와같이연결되어있을때, 단하나의출력만이한번에여기되어야함. 그렇지않으면 2 개또는그이상의능동토템폴출력이연결될것이고손실전류를발생시키고, 비록손실이일어나지않더라도, 이상태는버스상에 1 개이상의신호의조합인신호를만든다. 이것은보통버스충돌 (bus contention) 이라한다 CMOS 회로 MOSFET MOSFET(metal-oxide semicinductor field-effect transistor) 는 CMOS 회로에서사용하는능동스위칭소자 포화상태 : N-채널 MOSFET의게이트전압이소스보다크게되면, MOSFET는 ON 상태가되어드레인과소스사이는이상적으로단락된스위치형태로연결됨. 차단상태 : 게이트와소스사이의전압이 0이되면 MOSFET은 OFF 상태가되어드레인과소스사이에는이상적으로개방된스위치형태가된다. (a) MOSFET 기호 (b) n- 채널스위치 20

21 11.4 CMOS 회로 간략화된 MOSFET 기호 (c) p- 채널스위치 CMOS 반전기 상보형 MOS(CMOS) 논리는상보형쌍 (complementary pair) 구조를갖는 MOSFET로구성 CMOS NAND 게이트 11.4 CMOS 회로 두개의입력이모두 LOW 일때, Q1 과 Q2 가 ON 되고 Q3 과 Q4 는 OFF 된다. 출력은병렬의 Q1 과 Q2 의 ON- 저항을통해 HIGH 가된다. 입력 A 가 LOW 이고입력 B 가 HIGH 일때, Q1 가 Q4 가 ON 되고 Q2 와 Q3 이 OFF 된다. 출력은 Q1 의작은 ON- 저항을통해 HIGH 가된다. 입력 A 가 HIGH 이고입력 B 가 HIGH 일때, Q1 과 Q4 가 OFF 되고 Q2 와 Q3 이 ON 된다. 출력은 Q2 의작은 ON- 저항을통하여 HIGH 가된다. 두개의입력이 HIGH 일때, Q1 과 Q2 가 OFF 되고, Q3 과 Q4 는 ON 된다. 이경우에는접지에직렬로연결된 Q3 과 Q4 의 ON- 저항을통해 LOW 가출력된다. 21

22 MOS 논리의특성 11.4 CMOS 회로 바이폴라논리군과 MOS 논리군들의비교 - 속도면에서느리지만 - 전력소비가훨씬적고, - 더나은잡음여유 - 더넓은전압범위가제공되며, - 더욱높은팬 - 아웃과훨씬작은공간이요구된다. 동작속도 일반적인 N-MOS NAND 게이트는전파지연시간이 50 ns이다. - HIGH 상태에서상대적으로높은출력저항 (100 kω ) 을갖고있고, 논리회로의입력에의해서나타난부하용량때문이다. - MOS 논리입력은매우높은입력저항 (> 1012Ω) 을갖고있고, 일반적으로 2~5 pf인높은게이트용량 (MOS 커패시터 ) 을가진다. 이런 ROUT 과 CLOAD 의조합은스위칭시간을증가시킨다 CMOS 회로 잡음여유 N-MOS 잡음여유는 V DD =5V 에서동작을할때 1.5V 정도이고, V DD 가커지면비례해서커진다. 팬-아웃 MOS 논리의팬-아웃은 DC나낮은주파수동작에용량을제한받지않는다. 각각의 MOSFET 입력단에서의높은입력저항때문 그러나 100 khz이상되는주파수에대해서는구동되고있는부하수에비례해서증가하는스위칭시간을게이트입력커패시턴스가증가시킨다. 또한 MOS 논리의팬-아웃은보통 50 임. 전력드레인 MOS 논리회로는적은양의전력을소모한다. 왜냐하면상대적으로큰저항을사용하기때문이다. 22

23 11.4 CMOS 회로 잡음여유 N-MOS 잡음여유는 V DD =5V 에서동작을할때 1.5V 정도이고, V DD 가커지면비례해서커진다. ESD( 정전방전 ) 에대한대책 모든 CMOS 소자들은정전기가발생하는것을방지하기위해도전형특수합성수지로포장되어있다. 포장상태에서 CMOS 소자를꺼낼경우 CMOS 의핀에손을대지않도록주의하여야한다. 보호용포장에서꺼낸 CMOS 소자는접지되어있는금속판과같은표면위에핀을아래로하여내려놓아야한다. CMOS 소자를폴리스티렌수지나플라스틱위에놓으면안된다. CMOS 소자를다루는데사용하는모든도구와검사장비등은금속작업판은접지하여사용하여야한다. CMOS 소자를다루는사람은적당한길이의케이블로큰값의직렬저항을통해자신의팔뚝을접지에연결시켜사람이전압원을건드렸을경우소자에게미칠수있는쇼크를방지해야한다. 전원이투입된상태에서 CMOS 소자 ( 또는다른 IC) 를소켓이나 PC 보드에삽입하지말아야한다. 사용하지않는모든입력은그림 와같이 VCC 나접지에연결해야한다. 미사용입력을연결되지않은상태로방치해두면정전기로인하여입력레벨이임의의값을가질수가있다. PCB 보드를조립한다음에는보드와커넥터들을도전형특수합성수지로싸서보호해야한다. CMOS 입력과출력핀을큰값의저항을통해접지에연결하여보호할수도있다. CMOS 시리즈의특성 CMOS 시리즈의종류 (1) 11.4 CMOS 회로 4000/14000 시리즈 RCA(14000, Motorola, Inc.) 에의해소개된 4000 시리즈는 CMOS 시리즈의첫번째로출시됨 A 시리즈 B 시리즈 : 높은출력전류가가능 74C 시리즈이는 TTL 에서가능할뿐만아니라, 같은 CMOS 시리즈에도사용가능하다. 74C 시리즈의동작특성은 4000 시리즈와거의같다. 74HC 시리즈 ( 고속 CMOS) : 74C 시리즈의개선된버전주요개선점은스위칭속도에서 10 배의증가와더높은출력전류용량이다. 소자의속도는 74LS TTL 시리즈의속도와도비교할수있다. 23

24 11.4 CMOS 회로 CMOS 시리즈의종류 (2) 74HCT 시리즈 ( 고속 CMOS) : 이시리즈와 74HC 사이의가장다른점은 TTL 소자와의전압호환성을가지도록설계되었다는것 TTL 출력으로직접구동시킬수있다. 74AC/ACT ( 개선된 CMOS) - 기능적으로는다양한 TTL 시리즈와같지만 TTL 과의핀의호환성은없다. 왜냐하면, 74AC 또는 74ACT IC 는잡음에덜민감하기때문이다. - 74AC 는 TTL 과전기적호환성도없다. 그러나 74ACT 는 TTL 과직접연결될수있다. - 소자번호 74AC HC04 74ACT HCT CMOS 회로 CMOS 시리즈의종류 (3) BiCMOS LOGIC : bipolar 와 CMOS logic 의장점을결합한논리 IC - CMOS 의저전력소비특성과 bipolar 의고속특성을집적한저전력고속의논리계열 - BiCMOS IC 는거의모든 SSI, MSI 의기능이가능한것은아니고마이크로프로세서인터페이싱과메모리응용등과같은분야에한정되어사용된다. 공급전압 4000 시리즈와 74C 시리즈 : 3 ~ 15V 범위의 VDD 값에서동작 74HC 와 74HCT 시리즈 : 2 ~ 6V 의공급전압범위에서동작 잡음여유 잡음여유 : 일반적으로 CMOS 는 TTL 보다더큰잡음여유를가진다. 잡음여유는양상태에서는같고 VDD 에의존한다. VDD=5V 일때, 잡음여유는양쪽모두 1.5V 이다. 이는 TTL 과보다훨씬좋다. 이러한이유로높은잡음환경에노출된적용에서는 CMOS 를자주이용한다. 24

25 11.4 CMOS 회로 전력소비 CMOS 논리회로가정상상태에있을때, 그것의전력소비는상당히낮다. 주파수에따른 PD 증가 CMOS IC 의전력소비는그것이 dc 상태에있는한, 매우낮을것이다. 불행히도 PD 는회로가스위칭상태일때주파수에비례하여증가할것이다 CMOS 회로 팬 - 아웃 N-MOS 와 P-MOS 처럼 CMOS 입력은신호원으로부터전류의흐름이없을정도로상당히큰저항 (10 12 Ω) 을가지고있다. 그러나각 CMOS 입력은일반적으로접지에 5 pf 부하를준다. 이입력커패시턴스는하나의 CMOS 출력이구동할수있는 CMOS 입력의수를한정짓는다 CMOS 출력은출력스위칭시간이구동되는부하수에비례하여증가하도록모든입력커패시턴스의병렬조합을충전하거나방전시켜야한다. 전형적으로각 CMOS 부하는구동회로의전파지연을 3 ns증가시킨다. 예 ) 그림에서 NAND 게이트 1이부하없이구동된다면 25 ns 의 t PLH 를가질것이다. 이회로의부하가 20개연결되었다면 25 ns + 20 (3 ns) = 85 ns 로증가함. CMOS 팬-아웃은허용최대전파지연에의존한다. 일반적으로 CMOS 출력은저주파 ( 1 MHz ) 에서 50 의팬-아웃으로제한되고, 고주파동작동안팬-아웃은보다작아지게된다. 25

연결되지않는 CMOS 입력은전도상태에서잡음과 P 와 N_ 채널 MOSFET 를모두쉽게바이어스시킬수있는정전하에민감하면서, 결과적으로전력손실과과열을일으킨다. 개방드레인과 3 상태출력 11.

26 11.4 CMOS 회로 스위칭속도 N-MOS, P-MOS 처럼 CMOS 는비교적큰부하커패시턴스를구동해야하지만, 스위칭속도는각상태의저출력저항때문에약간더빠르다. 미사용입력 CMOS 입력을연결되지않은상태로두면절대로안된다. 모든 CMOS 입력은고정된전압 (0V 또는 VDD) 이나다른입력에연결되어야만한다. 이러한규칙은심지어 IC 상에여분의사용되지않는논리게이트입력에도적용된다. 연결되지않는 CMOS 입력은전도상태에서잡음과 P 와 N_ 채널 MOSFET 를모두쉽게바이어스시킬수있는정전하에민감하면서, 결과적으로전력손실과과열을일으킨다. 개방드레인과 3 상태출력 11.4 CMOS 회로 개방 - 드레인 (open-drain) 게이트는개방 - 컬렉터 TTL 게이트에해당하는 CMOS 로출력트랜지스터의드레인단자가개방되어있는게이트로서, 이구조를사용할경우에는드레인단자를부하를통해 VDD 에연결하여사용한다. 3- 상태출력은 CMOS 와 TTL 회로가모두사용가능하다. 3- 상태출력은토템 - 폴과개방 - 컬렉터회로의장점을결합시킨것이다. 26

27 인터페이싱 11.5 IC 인터페이싱 인터페이싱 (Interfacing) : 어떤회로나시스템의출력을전기적특성에서차이가있는다른회로나시스템의입력에연결하는것을말함. 종종직접연결은불가능한데, 이는출력신호를공급하는구동회로와신호를받는부하회로사이의전기적특성이다르기때문이다. 인터페이스회로 : 구동과부하사이에연결된회로 인터페이스회로의기능 : 구동출력신호를얻고조절하여부하의요구량을만족시키는것. 동일논리계열의 IC 를인터페이스할경우 : 각출력의팬 - 아웃한계를넘지않는범위에서특별한고려없이서로결합할수있다. IC 의출력을다른논리군이나같은논리군안에있는다른시리즈를연결하고자할경우 - 일반적으로소자간의전압 / 전류피라미터를고려해야하고 - 입출력전류 / 전압파라미터값의소자데이타시트를점검해야한다 IC 인터페이싱 TTL 구동 CMOS 5V의공급전압을가진표준소자에대한입출력전류 CMOS 4000B 74HC 74HCT 74S V IH (min) 3.5V 3.5V 2.0V 2.0V TTL 74LS 74AS 2.0V 2.0V 74ALS 2.0V V IL (max) 1.5V 1.0V 0.8V 0.8V 0.8V 0.8V 0.8V V OH (min) 4.95V 4.9V 4.9V 2.4V 2.7V 2.7V 2.7V V OL (max) 0.05V 0.1V 0.1V 0.4V 0.5V 0.5V 0.4V I IH (max) 1uA 1uA 1uA 40uA 20uA 200uA 20uA I IL (max) 1uA 1uA 1uA 1.6mA 0.4mA 2mA 100uA I OH (max) 0.4mA 4mA 4mA 0.4mA 0.4mA 2mA 400uA I OL (max) 0.4mA 4mA 4mA 16mA 8mA 20mA 8mA 27

28 11.5 IC 인터페이싱 TTL 구동 CMOS 전류값 : CMOS 의입력전류값이 TTL 시리즈의출력전류용량에비해서상당히낮다. 그래서 TTL 은 CMOS 의입력전류요구량을만족시키는데아무런문제가없다. 전압값 : 모든 TTL 시리즈의 VOH(min) 값이 4000B 와 74HC 시리즈의 VIH(min) 허용값과비교하였을때너무낮다는것을알수있다. 이러한상황에서는 CMOS 를위한허용수준을위해 TTL 출력전압상승이행해져야한다. 인터페이싱의문제를해결하기위한가장일반적인방법 - 풀 - 업저항은 TTL 의출력을 HIGH 상태에서 5 V 로증가시키고적절한 CMOS 입력을공급한다. - 개방 - 컬렉터풀 - 업저항에서와똑같은방법으로풀 _ 업저항값을결정한다. - TTL 출력이단지 CMOS 만을구동 : 1 kω ~ 10 kω 11.5 IC 인터페이싱 TTL 구동 CMOS 외부풀 - 업저항은 TTL 이 CMOS 를구동할때이둉된다. TTL 구동 74HCT 74HCT 시리즈는 TTL 의출력에의해직접구동되도록설계되었다. 즉, 입력전압요구량은표준 TTL 소자와같다. 따라서위의그림과같은풀 - 업저항은불필요하다. 이것은 TTL 을 74HCT 소자에인터페이싱하기쉽게하지만, CMOS 소자의전력소비를증가시킨다. 28

29 TTL 구동고전압 CMOS 11.5 IC 인터페이싱 고전압 CMOS (5V 보다큰전압인 VDD 로동작 ) VDD=10V 인 CMOS 입력이 VIH(min) = 7V 를필요로한다. 많은 TTL 소자의출력은 5V 보다큰전압에서동작되지않는다. 그래서 +10V 에풀 - 업저항의연결은금지된다. 또어떤 LS-TTL 은 10V 까지의출력풀 - 업에서동작한다. 일반적으로 5V 보다큰풀 - 업을사용하기전에데이타시트를검토하여야한다. TTL 출력이 VDD 로풀 - 업되지않을경우의해결방법 7407 개방 _ 컬렉터버퍼는 TTL 토템폴인출력과 VDD > 5V 에서동작하는 CMOS 의인터페이스로사용 7407 은 7406 의비반전대응부이고, 30V 의비율로출력전압을가지고있다 와같은레벨변환 (level-translator) 회로를이용한다 IC 인터페이싱 CMOS 구동 TTL HIGH 상태에서 CMOS 구동 - CMOS 출력이 HIGH 상태 (VIH) 에서 TTL 입력허용값을만족시키는충분한전압 (VOH) 을쉽게공급할수있다. - CMOS 출력은 TTL 입력전류요구량 (IIH) 을만족시키기위해필요한전류 (IOH) 보다더많은양을공급할수있다. HIGH 상태를위한특별한고려를필요로하지않다. LOW 상태에서 CMOS 구동 - TTL 입력이 LOW 상태에서상대적으로높은입력전류를가지는것을알수있으며, 그범위는 100 μa에서 2 ma까지이다. - 74HC 와 74HCT 군은 4 ma까지전류를흐르게할수있다. 따라서 74HCT 와 74HC 는어떤군의단일 TTL 을구동시키는데는어려움이없다 B 시리즈는훨씬더제한된다. LOW IOL 은 74 나 74AS 시리즈의 1 개의입력을구동하기에도불충분하다. 29

30 11.5 IC 인터페이싱 74HC 출력에의해동작되어질수있는 74LS 입력의수는얼마인가? 4000B 출력에대해반복하라. 74LS 시리즈는 IIL(max)=0.4 ma를가지며, 그 74HC 는 IOL(max)=4 ma로연결될수있다. 74HC 는 10 개의 74LS 부하 (4 ma /0.4 ma = 10) 를구동할수있다. 4000B는 0.4 ma로연결하고또한 1 개의 74LS 입력을구동할수있다. 74HC 출력에의해동작될수있는 74ALS 입력의수는얼마인가? 4000B 출력에대해반복하라. 74ALS 시리즈는 IIL(max)=100 μa를가진다. 74HC 는 10 개의 74ALS 입력 (4 ma /100 μa = 40) 을구동할수있다. 4000B 는 40 개의 74ALS 입력 (0.4 ma /100 μa = 4) 을구동할수있다 IC 인터페이싱 그림에서잘못된사항은무엇인가? 74HC00 은 4 ma를연결할수있지만, 3 개의 74AS 입력은 3 2 ma = 6 ma를필요로한다. 그림에서잘못된사항은무엇인가? 4001B NOR 게이트는 0.4 ma를연결할수있지만, 3개의 74LS 입력들은 ma = 1.2 ma를필요로한다 30

31 11.5 IC 인터페이싱 앞의그림과같이 CMOS 와 TTL 소자간에특정의인터페이스회로가필요함. - 인터페이스회로는낮은입력전류요구량을가져야만하며, 충분하게부하를걸기위해높은출력전류를가져야만한다. 앞페이지의아래그림에대한해결방법 (2 가지방법 - 버퍼사용 ) CMOS 4050B 는비반전버퍼이며, 이것은 IOL (max) = 3 ma의비율로출력전류를가지고있다. 그래서이것은쉽게 3 개의 74LS 부하를구동할수있다. 74LS125 는 4001B 에의해구동되는영구적으로여기되는비반전 3- 상태버퍼이다. 그것의출력은쉽게 74LS 부하를구동할수있다. 이회로의양측에서, 인터페이스버퍼는 4001 B 출력신호를 74LS 부하로단지전달시킬뿐이다. 고전압 CMOS 구동 TTL 11.5 IC 인터페이싱 전압레벨변환기 (voltage-level translator) 를사용하여 15V 로동작되는 CMOS IC 와 5V 로동작하는 TTL IC 를인터페이스한다. 4050B 버퍼는고전압 CMOS 와 TTL 사이에서레벨변환회로로동작함. 31

32 저전력기술 (LVT) 11.5 IC 인터페이싱 3.3V 로동작하는소자로건전지로작동하는장비에특별한가치가있다. 여러가지 3.3V 논리계열이개발되었는데, 그중 74LVT 시리즈가가장좋은성능을가진것중하나임.(BiCMOS 기술적용 ) LVT 회로는 3.3V 회로와 5V 사이의인터페이스로동작할수있다. -> 혼합 - 전압시스템 (mixed-voltage system) 32

4장 논리 게이트

4장 논리 게이트 4 장논리게이트 게이트 : 논리연산수행 4.1 기본게이트 AND, OR, NOT, NOR, NAND, XOR, XNOR 버퍼게이트 버퍼 : 연결할회로사이에전류, 전압등의구동이나레벨을맞추기위한완충을목적으로사용 진리표와기호 진리표게이트기호 IEEE 표준기호 NC NC 16 15 14 13 12 11 10 9 MC14050B 버퍼게이트 1 2 3 4 5 6 7 Vcc