조합 논리회로

디지털 IC

디지털 IC란 디지털 회로를 집적화한 반도체 디바이스입니다. '표준 논리 IC'는 논리회로의 기본적인 것부터 연산 논리 장치까지 포함하면 약 600종류가 있다고 알려져 있습니다. 크게 나누면 TTL IC 와 CMOS IC로 분류됩니다. TTL (Transistor-transistor logic) IC는 회로의 주요 부분이 바이폴라 트랜지스터에 의해 구성되며 5V의 전원 전압으로 동작합니다. CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) IC는 회로의 주요 부분이 P 채널과 N 채널의 MOSFET를 조합한 CMOS로 구성되며 폭넓은 전원 전압으로 동작합니다.

디지털 IC끼리 신호를 주고받을 때는 신호를 'High' 또는 'Low'로 정하는 논리와 그에 대응하는 전압을 정할 필요가 있습니다. 이 논리와 전압의 대응을 논리 레벨이라고 부릅니다. 논리 레벨이 다르면 신호를 주고받을 수 없고 IC를 파손할 수도 있습니다.

TTL IC에서는 신호가 입력되는 경우 2.0V 이상이 'High', 0.8V 이하가 'Low'로, 신호를 출력하는 경우 0.4V 이하가 'Low', 2.4V 이상이 'High'라고 판단합니다. 이와 같이 TTL IC는 입출력의 전압 레벨과 논리가 정해진 TTL 인터페이스 규격에 따라 만들어지고 있습니다. 따라서 TTL IC 간에 신호를 주고받을 때는 논리 수준을 고려할 필요가 없습니다.

 

CMOS IC에는 많은 시리즈가 있어 논리 수준이 다릅니다. 전원 전압에 의해서도 논리 레벨이 변화합니다. 따라서 논리 수준을 맞춰서 연결해야 합니다.

 

팬아웃

'표준 논리 IC'를 접속할 때 출력에 접속 가능한 IC의 수를 고려해야 합니다. TTL IC에서는 출력 전류에 의해 접속할 수 있는 IC의 개수가 제한되어 접속 가능한 IC의 상한 수를 팬 아웃이라고 부릅니다. TTL IC가 바이폴라 트랜지스터에 의해 구성되어 있다는 것을 상기하면, 스위칭에 전류가 필요한 것은 쉽게 상상할 수 있을 것이라고 생각합니다. TTL IC의 팬 아웃은 출력 전류를 입력 전류로 나누는 것으로 구할 수 있습니다. 팬아웃 수를 초과한 수의 IC를 연결하면 출력의 논리 레벨이 보장되지 않으므로 주의가 필요합니다. 

 

CMOS IC 팬 아웃은 입력 단자에 전류가 거의 흐르지 않기 때문에 전류를 기초로 결정할 수 없습니다. CMOS는 전류가 아니라 부하 용량에 의해서 팬 아웃이 결정합니다. CMOS IC의 데이터 시트에는 전달 지연 시간의 측정 방법이라는 형태로 부하 용량이 명기되어 있습니다. 그 부하 용량을 초과하면 전달 지연 시간이 증가하게 되어 오동작의 원인이 되기 때문에 주의가 필요합니다.

 

조합 회로

논리 회로 중 입력 신호의 조합만으로 출력이 결정되는 논리 회로를 조합 회로라고 부릅니다. 반대로, 내부에 기억 회로와 동기 회로를 갖추고, 입력 신호의 조합만으로 출력이 결정되지 않는 논리 회로를 순서 회로라고 부릅니다. 조합회로는 AND나 OR, NOT, XOR 등의 논리 게이트를 여러 개를 조합하는 것에 의해 구성됩니다. 여러 종류의 논리 게이트를 나열하면 다양한 기능을 구현할 수 있다고 생각하면 됩니다. 조합 회로의 대표적인 멀티플렉서와 디코더로 설명하겠습니다.

 

출력 신호를 선택할 수 있는 멀티플렉서

멀티플렉서는 여러 입력 신호에서 출력할 신호를 선택하는 신호 전환기입니다. 동작을 자동판매기에 비유해서 이미지 합시다. 버튼을 선택함에 따라 하나의 출구에서 다양한 음료가 나오는 것과 비슷합니다. 이 멀티플렉서를 논리 회로로 표현하면 AND와 OR 만으로 실현 가능합니다. 또한 AND 부분에서 판정을 실시하고 OR 부분에서 신호를 하나로 정리하고 있는 것을 알 수 있습니다.

멀티플렉서

 

입력을 판정하는 디코더

디코더는 입력을 판정해 해당하는 출력을 ON(High)으로 하는 조합 회로입니다. 디코더의 진리표에서 2개의 입력신호에 의해 4개의 출력 신호 중 하나에 1이 출력되는 것을 알 수 있습니다. 예를 들어 2개의 입력을 2진수로, 4개의 출력 신호를 각각 10진수의 0, 1, 2, 3에 대응시킨다고 생각하면 2진수를 10진수로 복호화(디코드) 하고 있는 회로로 간주할 수 있습니다.

디코더

이 밖에도 비교기나 가산기(전가산기, 반가산기), 곱셈기, 뺄셈기, 시프터 등 수많은 조합 회로가 있습니다. 대부분이 이번에 배운 멀티플렉서나 디코더를 응용하는 것으로 작성할 수 있습니다.