디지털 회로

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디지털 회로는 여러가지 전압 레벨을 이용하는 전자 회로이다. 대부분의 경우 두가지 전압을 이용한다. 하나는 0볼트에 가까운 전압과 하나는 전원에 의존되는 높은 전압이 있으며 일반적으로 L과 H로 표기된다.

아날로그 회로와 반대되는 개념이다.

[편집] 개요

디지털 회로는 기초적으로 AND(논리곱), OR(논리합), NOT(논리 반전)의 불 대수 기본 연산을 하는 복잡한 회로이다. 논리 설계적 관점에서 디지털 회로에 관한 기본 설명은 논리 회로를 참조하세요.

디지털 회로는 기능에 따라서 여러가지 회로가 만들어지고 있다. 아래는 대표적인 디지털 회로에 대하여 상세한 설명이 있다.

[편집] 전압 레벨

디지털 회로는 두가지 전압 레벨을 이진수나 논리 레벨의 0과 1로 나타내기 위해 사용된다. 액티브 하이(정논리)에서는 L는 이진수 0, H는 이진수 1을 나타내며, 액티브 로우(부논리)에서는 반대의 의미로 사용된다. 예를 들어 0 ~ 1.5 볼트는 논리 0, 3.5 ~ 5 볼트는 논리 1과 같다. 1.5 ~ 3.5 볼트는 논리가 변경될때 사용되는 상태로 이상 상태라고 한다. 논리가 변경될때 사용되는 상태는 대부분의 회로가 순수한 저항 회로가 아니기 때문에 전압 레벨이 빠르게 변경되지 않아서 발생된다. 이러한 이상 상태를 인식하는 논리 회로도 있지만, 대부분 랜덤으로 0 혹은 1로 해석한다.

시모스의 디지털 회로는 내부 구조로 인하여 이러한 이상 상태에 있을 때 많은 전력을 소비해 버린다. 그렇기 때문에 이상 상태를 계속하면 소자가 발열로 인하여 파괴 될 수 있고, 회로를 설계할 때 이상 상태를 피해야 한다.

한편 파형의 상승이나 하강으로 논리의 의도적으로 다르게 해서 이상 상태를 피하는 방법(히스테리시스, 이력 현상)이 있으며 이를 슈미트 트리거라고 불린다. 저항기의 연결이 쉽게된 전용의 표준 논리 IC도 있다.

두가지 논리 레벨의 예시

논리 소자 기술	L 전압	H 전압	비고
시모스	0V ～ 0.3Vcc	0.7Vcc ～ Vcc	Vcc = 전원 전압
TTL	0V ～ 0.8V	2V ～ Vcc	Vcc : 4.75V ~ 5.25V

초기의 디지털 회로는 실리콘 기판에서 트랜지스터 제작에 제한이 있어서 PMOS나 NMOS에 의하여 내부 회로를 구성 했었다. 이 경우에 입력이 0일때는 전력소비가 적었지만 입력이 1이때는 큰 전력을 소비한다. 또는 반대의 특성을 가지기도 했으며, 이 특성에 따라서 논리 회로를 액티브 하이혹은 액티브 로우로 설계를 해야 하는것이 중요했었다.

[편집] 풀업과 풀다운

위 언급처럼 디지털 회로는 원칙적으로 H나 L의 전압 인가가 되어 있어야 한다. H와 L의 중간 전압이 되게 되면 내부 상태가 불안정하게 되거나 전력 소비가 증가한다. 그리고 L보다 낮은 전압이나 H보다 높은 전압이 인가되면 방해 전류 흐름이 생겨서 회로를 파괴할 수 있다.

일반적으로 디지털 회로의 입력 단자는 내부 임피던스가 높기 때문에(전언 회로와 저항이 큼) 입력 단자가 어디에도 연결되어 있지 않으면 근처의 정전기나 전자 유도에 의하여 예상할 수 없는 전압이 인가될 수 있다. 그렇기 때문에 커넥터에 의하여 외부로 연결되는 입력 단자는 커넥터가 잘못 연결되어 비정상적인 전압이 인가되지 않도록 해야 한다. 추가로 입력 단자가 어디에도 연결되어 있지 않은 상태를 「플로팅」란 표현이 널리 사용된다.

이러한 경우에는 수kΩ ~ 수백kΩ 정도의 높은 저항으로 전원선이나 접지선에 연결시킨다. 전원선에 연결한 것을 「풀업」이라고 하고 접지선에 연결한 것을 「풀다운」이라고 한다.

풀업이나 풀다운된 입력 단자는 출력 단자가 연결되지 않는 상태에도 풀업 저항이나 풀다운 저항에 의해서(큰 전자 유도가 일어나지 않는한) 전원 전압이나 접지 전압이 유지된다.

여기서 다른 디지털 회로의 출력 단자가 접속되었을 경우에는 디지털 소자의 출력 회로는 내부 임피던스가 지극히 작으므로 풀업 또는 풀다운에 사용된 저항값은 거의 무시할 수 있는 상태가 된다. 큰 저항과 작은 저항을 병렬로 연결한 경우에는 전류는 작은쪽으로 흘러서 큰 저항의 영향은 거의 없다.

풀업 저항값이 너무 크면 플로팅 상태와 비슷하게 되어서 전자 유도에 의해서 약해져 버린다. 그러나 너무 작으면 연결된 출력 소자에 큰 전류가 흘러서 회로의 소비 전력이 증가되고 최악의 경우에는 출력 소자가 파손된다.

입력 단자로 연결되는 신호선이 통신선 처럼 비교적 길 경우에는 신호선으로 전자 유도가 일어나 전원 전압이나 접지 전압의 범위 밖의 이상 전압이 더해질 가능성이 높아진다. 이러한 경우에는 풀업 저항에 병렬로 다이오드를 연결해서 이상 전압에 의한 전류가 전원선 쪽으로 흘러 나가게 해서 디지털 회로 소자가 안전하게 동작하게 한다. 이 용도의 다이오드를 「클램프 다이오드」라고 불린다. (디지털 입력의 보호 목적 외에도 전압 치역을 제한하는 목적으로도 사용됨)

디지털 회로 설계상 하나의 IC속에 있는 모든 디지털 회로를 사용하지 않고 일부의 회로만 사용하는 경우도 있다. 이때 사용하지 않는 회로의 입력 단자는 그 상태가 H혹은 L이겠지만 동작에 전혀 관계없기 때문에 플로팅시켜 버리는 경우가 있다. 논리적으로는 상관없겠지만 전기적으로는 앞과 같은 이상 전압이 더해졌을 때는 회로 파괴가 발생될 수 있으므로 사용하지 않는 입력 단자는 반드시 풀업이나 풀다운하는것이 좋다. 다만 이 경우에는 다른 출력 단자의 상황을 고려하지 않아도 되기 때문에 직접 전원선이나 접지선에 연결해도 된다.

올해에 들어온 CPU IC같은 경우는 외부에 붙여야만 하는 부품비를 줄이기 위해서 풀업 저항을 IC속에 내장하고 있는 경우가 많아지고 있다. 또 어떤 제품은 내장된 풀업 저항을 사용할지 않을지를 소프트웨어로 선택할 수 있게 되어있는 것도 있다.

[편집] 팬 아웃

위와같이 디지털 회로에서는 전압차에 의해 정보를 각 소자에 전달하지만, 당연히 전기 회로이기 때문에 전류가 흐른다. 구체적으로 출력측 레벨을 L로 하기 위해서는 출력 단자쪽으로 전류가 흘러 들어가는 동작을 하고, 출력측 레벨을 H로 하기 위해서는 출력 단자쪽에서 전류가 흘러 나오는 동작을 한다.

다만 일반적으로 디지털 회로의 입력 단자는 내부 임피던스가 높게 만들어져 있기 때문에(전원이나 접지에 대한 저항값이 높음) 이 전류값은 아주 낮다. 특히 시모스 방식으로 제작된 회로는 거의 흐르지 않는다.

TTL처럼 입력 단자에서 전류 소모가 발생하는 회로를 설계하는 경우에는 출력측 소자의 전류 구동 능력에 따라서 입력 단자의 갯수가 재한되는데 이 제한치를 팬 아웃이라고 불린다.

TTL는 표준 형식, LS 형식, ALS 형식등 다양한 종류가 있지만 같은 종류의 형식은 동일한 팬 아웃 값을 가지고 있다.(출력 단자의 전류 구동능력이 동일함)

다만 다수의 입력 신호를 분배할 목적으로 제작되어서 같은 형식임이데 불구하고 높은 팬 우웃값을 가지는 회로 소자도 있다. 이러한 회로 소자는 논리적으로는 아무것도 하지 않거나 반전의 기능만을 가져서 버퍼, 버스 버퍼, 드라이버라고 불린다.

다른 형식의 종류를 조합해서 사용하는 경우에는 각각의 데이터 쉬트를 조사해서 접속할 수 있는 개수를 결정할 필요가 있다.

시모스형 논리 회로는 입력 단자에서 소비되는 전류는 적지만 많은 입력 단자를 연결하면 각각의 단자와 배선에서 전기용량이 커져서 출력 단자에서 용량성 저항이 커지게 된다. 이것을 가르켜 팬 아웃이라고도 부른다. 이렇기 때문에 출력측 소자의 구동 능력이 부족하면 H가 L, L가 H로 상태가 변경되는 시간이 길어지게 되어서 회로 동작에 제한이 되므로, 후단에 연결할 수 있는 입력 단자의 갯수는 제한된다.

[편집] 하이 임피던스

하나의 신호선에 복수의 출력 소자를 연결하는 버스 구조를 사용하는 경우에는 신호를 출력하려고 하는 소자와 수신 하려고 하는 소자만 연결되어 있어야 한다. 회로 제어를 잘못하여 복수의 출력 회로가 동시에 접속되어 버리면 회로간에 비정상적인 전류가 흘러서 소자가 파괴될 수도 있다.

이 파괴를 피하기 위해서 신호를 출력하면 안되는 소자는 전기적으로 절연 상태가 되어야 한다.

이와 같이 출력 신호선에서 전기적으로 절연된 상태를 하이 임피던스(high-impedance)라고 부르며 H, L 둘다 아닌 제 3의 상태로 취급된다. 하이 임피던스 상태는 기호로 "Z"라고 표기한다.

어떤 입력 단자에 연결되어 있는 모든 출력 단자가 동시에 하이 임피던스 상태가 되면 전기적으로 입력 단자에 아무것도 연결되어 있지 않는 것과 동일한 상태가 되어서 소자 파괴의 위험이 생기게 되다. 그렇기 때문에 하이 임피던스 상태를 수반하는 신호선은 풀업 또는 풀다운을 하는것이 일반적이다.

하이 임피던스 출력과 비슷한 것으로 오픈 컬렉터 출력이 이다. 이것은 출력이 논리 1일때 L의 전압을 출력 하지만 논리 0일때는 H의 전압을 출력하는 것이 아니라 하이 임피던스 상태가 되는 출력 소자이다. (부논리의 출력이 됨)

논리 0일때 하이 임피던스가 되므로 다수의 오픈 컬렉터 출력들을 단순하게 연결한 다음에 풀업을 하면 출력의 어떤것이 논리 1이 되었을때 L가 되는(모든 출력이 논리 0일때는 H가 됨) 회로가 되며, 이것은 (부논리의) 논리합을 연산하게 된다. 이와 같이 논리합 디지털 회로 소자 없이 논리합을 구현한 회로를 「와이어드 오아」라고 부른다.

추가로 오픈 컬렉터 출력 단자는 일반 출력 단자보다 많은 전류를 흘릴수 있는 특징을 가지고 있어서 아날로그 회로에 의한 전류 증폭을 하지 않고도 직접 LED를 점등시키는 주변장치와 연결할 수 있다.

[편집] 버퍼

트라이 스테이트 버퍼

G X	Y
0 0	Z
0 1	Z
1 0	0
1 1	1

출력을 하이 임피던스로 할 수 있는 출력 회로를 「트라이 스테이트」（tri-state : 세가지 상태）라고 하며 입력 신호를 그대로 출력하거나 하이 임피던스로 출력 할 수 있는 회로를 「트라이 스테이트 버퍼」라고 한다. 회로 기호에서는 버퍼를 나타내는 삼각의 표와 측면에는 출력을 하이 임피던스로 할지 아니면 입력 신호로 할지 결정할수 있는 신호선이 있는 기호로 표시한다.

출력을 하이 임피던스로 하지 않을 것을 결정하는 입력 신호선은 게이트("gate")의 의미로 'G'로 표기하거나 작동("enable")의 의미로 'E', 'EN'로 표기하기도 한다. 또 데이터 버스에서 사용되는 경우 출력 작동("output enable")의 약자로 'OE'나 칩 선택("chip select")의 약어로 'CS'의 기호를 사용하는 경우도 많다.

쌍방향 버퍼

G	X	Y
0	0(Out)	0(In)
0	1(Out)	1(In)
1	0(In)	0(Out)
1	1(In)	1(Out)

트라이 스테이트 버퍼 2개를 조합하여 데이터 통신의 방향을 변경할수 있게 만든 회로도 자주 사용되고 있다. 이 회로는 「쌍방향 버퍼」라고 불리며 G가 L일때는 Y에서 X방향으로 데이터가 전송되며, G가 H일때는 X에서 Y방향으로 데이터가 전송된다.

트라이 스테이트 버퍼나 쌍방향 버퍼는 많은 회로가 신호선을 공유하는 데이터 버스나 주소 버스에 널리 사용된다. 그렇기 때문에 데이터 버스의 비트의 단위가 되기 쉬운 8 채널 트라이 스테이트 버퍼 IC가 대중화 되어 자주 사용된다.

데이터 셀렉터

S X1 X2	Y
0 0 0	0
0 0 1	1
0 1 0	0
0 1 1	1
1 0 0	0
1 0 1	0
1 1 0	1
1 1 1	1

그리고 동일한 트라이 스테이트 버퍼를 여러개 조합하여 와이어드 오아의 원리를 사용하여 복수의 입력 신호중 하나만 출력하는 회로를 만들수 있다. 이것을 「데이터 실렉터」라고 불린다. 데이터 실렉터는 일반 논리 소자로 이용해 구성하는 (Y ← (S AND X1) OR ((NOT S) AND X2))가 트라이 스테이트를 이용하여 훨씬 간단한 내부 회로로 제작할 수 있다. 측면 그림은 두 채널 데이터 실렉터이지만 네 채널, 여덟 채널의 데이터 실렉터도 이 회로를 응용하면 쉽게 제작할 수 있다.