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논리회로 본문
1. 논리회로
논리회로는 하드웨어를 구성하는 기본 요소인 논리게이트로 구성된다.
논리 게이트는 한 개 이상의 입력 단자와 하나의 출력 단자로 구성되는 전자회로이다. 디지털 시스템에 흐르는 전압이나 전류와 같은 전기적 신호를 두 가지 구분된 값 (0,1)으로 인식한다.
보통은 전압으로 나타내며 디지털 회로에서 논리 0과 논리 1을 구분하기 위해 전압 영영에서 동작한다. 실제 디지털 시스템에서 허용하는 전압은 다음과 같다.
TTL : Transistor-Transistor Logic ,TTL은 CMOS와 달리 무조건 0~0.8V까지 Low level로 2~전원전압까진 High level로 인식한다.
디지털 회로는 아날로그 회로와는 달리 낮은 전압과 높은 전압의 두 상태만을 나타내기 때문에 스위칭 회로가 필요하게 되었고 트랜지스터는 이러한 동작을 구혀하기에 적합한 부품이였다.
논리 게이트는 트랜지스터 회로를 응용하여 2진 논리상태로 동작하는 전자회로이다. 컴퓨터 시스템을 비롯한 모든 디지털 시스템은 여러 가지 논리게이트가 모여 조합 논리회로와 순서 논리회로로 구성을 하는데
각각의 게이트는 서로 다른 모양으로 표현하며, AND OR NOT 이 기본이고, 이를 조합한 게이트로는 NAND NOR XOR XNOR 게이트가 있다.
2. NOT 게이트
NOT 게이트는 입력 한 개와 출력 한 개가 있는 게이트이며 논리 부정을 나타낸다.
2진수의 논리 반전을 만들어내므로 반대로 출력한다.
3. Buffer 게이트
Buffer 는 입력된 신호를 변경하지 않고 입력된 상태 그대로 출력하는 게이트이다.
버퍼 게이트가 필요한 이유는 다음과 같다.
논리 게이트는 하나의 게이트로만 동작되는 것이 아니라 여러 논리 게이트들이 상호 연결되어야 하나의 동작 모듈 기능을 수행하게 된다.
하나의 논리 게이트 출력은 한 개 이상의 논리 게이트 입력으로 연결 구성되는데 한게 개수 이상으로 연결될 경우에는 중간에 버퍼 게이트를 두어서 이를 극복할 수 있다 (wire로 연결되는 경우 길이에 따른 저항의 값의 변화로 인해 원하는 값의 출력이 나오지 않을 수 있다.)
단, 버퍼를 이용하는 경우 직접적인 연결에 비해 delay time 이 발생한다.
- 3상태 버퍼 (tri-state buffer)
LOW HIGH 하이 임피던스 중 하나를 출력으로 갖는 소자이다.
이를 이용해 2x1 MUX를 구성 할 수 있다.
4. AND 게이트
AND게이트는 2개 이상의 입력에 대해 1개의 출력을 얻는 게이트이다. 논리곱이라고도 하며 입력에 따라 출력이 결정되는데 입력이 모두 1인 경우에 출력이 1이 되며 그 외는 모두 0이다.
물리 회로로 생각하면 스위치 2개가 (입력) 직렬로 연결되어 있다고 생각하면 된다.
5. OR 게이트
OR 게이트는 입력이 2개 이상에 대해 출력 1개를 얻는 게이트이며, 논리합이라고 한다.
물리적 회로로 생각하면 스위치 2개가 병렬로 구성되어있다고 생각하면 된다.
6. NAND 게이트
NAND게이트는 AND 게이트에 NOT 게이트가 직렬로 연결된 형태로 AND 게이트 출력의 인버터이다.
즉, 2개 이상의 입력에 대해 출력 1개를 얻는데 입력이 모두 1인 경우에만 0이되며 그 외에는 1이 출력된다.
7. NOR 게이트
NAND 게이트는 OR게이트에 NOT 게이트가 직렬로 연결된 형태로 OR 게이트의 인버터 출력을 갖는다.
즉, 2개 이상의 입력에 대해 출력 1개를 얻는 게이트로 입력이 모두 0 인 경우에만 출력이 1이 되고, 그 외에는 전부 0으로 출력을 한다.
8. XOR 게이트
XOR 게이트는 홀수 개의 1이 입력되면 출력은 1이 되고 그렇지 않으면 출력은 0이 된다. 2 입력 게이트의 경우 두 입력 중 하나가 1이면 출력이 1이 되고, 두 입력이 모두 0이거나 1이면 출력은 0 이된다고 생각하면 된다.
9. XNOR 게이트
XNOR 게이트는 짝수 개의 1이 입력되면 출력은 1이 되고, 그렇지 않으면 출력은 0이 된다. eXclusive NOR 에서 나온만큼 XOR 게이트에 NOT게이트가 연결된 형태로 XOR 게이트와 출력이 반대가 된다.
10. 게이트의 전기적 특성
- 전파 지연 시간 : 신호가 입력되고 출력도리 때 까지의 시간을 말하며, 게이트의 동작속도를 나타낸다.
논리게이트는 상태가 변할 때 delay time 이 발생하는데 이를 전파지연시간이라고 한다.
(출력이 0-1 혹은 1-0 으로 변할 때)
이때 tpHL은 0-1로 변할 때, tpLH은 1~0으로 변할 때를 지칭하며, tPHL은 입력이 50%가 될 때부터 출력이 50% 될 때까지를 측정한다. (예시는 인버터, [출처 : 정보통신용어해설] )
- 전력소모 : 게이트가 동작할 때 소모되는 전력량을 말한다.
논리장치의 전력소모는로 나타낼 수 있다.
- 잡음여유도 : 디지털 회로에서 데이터의 값에 변경을 주지 않는 범위 내에서 최대로 허용된 잡음 마진을 나타낸다.
잡음여유도는 출력과 입력 사이에 존재하는 식별 전압의 차이를 말하며, 어느 정도의 noise 가 있을 경우에도 원하는 신호를 식별하게 해준다.
모든 전기 회로는 잡음을 동반하는데, 게이트가 0과 1의 신호를 식별할 때 잡음의 영향을 견뎌낼 수 있는 회로의 능력을 잡음 면역 (immunity)라고 하며 이 정도를 잡음 여유도 라고 한다.
- HIGH 레벨 잡음여유 : NMH 또는 VNH = VOH (min) - VIH (min)
- LOW 레벨 잡음여유 : NML 또는 VNL = VIL (max) - VOL (max)
- 팬-인 / 아웃 : 한 게이트의 출력으로부터 다른 여러개의 입력으로 공급되는 전류를 말하며, 정상적인 동작으로 한 출력이 최대 몇 개의 입력으로 연결되는지를 나타낸다.
팬-인은 한 개의 게이트 입력에 접속할 수 있는 최대 입력단의 수를 말한다.
팬-아웃은 정상적인 동작에 영향을 주지 않고, 한 게이트에서 다른 게이트로의 입력으로 연결할 수 있는 최대 출력단의 수를 말한다.
