[4호] S.M.P.S / S.S.R / NOISE FILTER 3부
전력 전자 부품의 삼총사!
S.M.P.S / S.S.R / NOISE FILTER
자료 제공 ❘ Unionelecom 홈페이지 ❘ www.unionelecom.co.kr
전력 전자 부품의 핵심 분야인 S.M.P.S / S.S.R / NOISE FILTER 에 대해서
분야별로 알아보는 시간을 가지고 있습니다. 이번 시간은 NOISE FILTER 에 대해서 살펴봅시다.
제 3 부 NOISE FILTER
1. NOISE의 개요
과학 기술의 발전 및 전기 전자기기의 사용증가와 더불어 FA화, OA화, 시스템의 대규모화등 컴퓨터화에 의해 전자 장치의 역할이 더욱 크게 되었고, 정보를 고속으로 교환하는 다양한 정보 통신망의 실현에따라 이용 주파수 스펙트럼도 확장되었다.
텔레비젼, 라디오등과 같이 전파를 수신해서 기능을 발휘하는 제품이나 컴퓨터와 같이 MHz 대의 펄스를 사용하는 제품에서는 환경 오염의 일종인 전자파가 존재하는데, 이 전자파가 공간으로 방사 또는 전원 코드를 통해서 다른 제품에 영향을 줄 때 이러한 전자파를 『노이즈』또는 EMI(Electro Magnetic Interference)라 한다.
이러한 노이즈는 전기 전자기기의 목적과 기능을 방해하는 불필요한 전기적 에너지라 할 수 있으며 이런 장해 전자파가 발생하는 이유는 반도체와 디지털 기술의 발전으로 부품이 소형화, 고밀도화, 고속도화로 짧은 시간에 전압이나 전류가 급격히 변화하기 때문이다.
2. NOISE의 종류
노이즈는 전기를 띤 구름이 뇌방전을 일으킬 때 발생되는『자연노이즈』와 사람이 장치등을 사용할 때 부수적으로 발생되는 『인공노이즈』로 크게 분류되며, 자연노이즈는 구름의 기단 사이에 기상 변화가 심할 때 낙뢰가 송전선 또는 통신 회선 등에 직접 인가 되었을 때 발생하는 직격 뇌써지와 뇌방전시에 구름과 구름 사이 또는 구름과 대지 사이에서 대전된 전하가 소멸되는 현상 즉 매우 큰 방전 전류에 의한 유도 현상으로 인하여 송전선이나 통신 회선등에 이상 전압이 발생하는 유도뇌써지등이 있다.
인공노이즈는 『방사노이즈』와 『전도노이즈』가 있으며, 방사노이즈는 방송이나 휴대 무선기등의 통신용 전파에 의한 장해는 물론 송전선의 코로나 방전, 오토바이의 점화시의 노이즈 등 공간으로 직접 피해측에 전파하는 것이고, 기기나 회로간을 연결하는 신호선이나 제어선, 전원선 등이 본래 전송해야할 신호들과는 달리 이들 도선을 통해 피해측에 유도되는 전자파를 전도노이즈라 한다.
전도노이즈는 Transient, Impulse 등과 같이 전원선을 타고 들어와 Line 간을 왕복하는 『노멀 모드 노이즈(Nomal Mode Noise)』와 전원선을 타고 들어온 뒤 Earth와 Line을 타고 나타나거나 그 반대의 경우와 같이 Line과 어스간에 전달되는 『커먼 모드 노이즈(Common Mode Noise)』로 구분되며, 노멀 모드 노이즈는 대부분 짧은 시간에 높은 전압을 주고 사라지는 것으로 기기는 예고없이 에러를 내게되고 특히 전송중에 있는 데이터는 치명적이 될 수있으며, 커먼 모드 노이즈는 Ground를 기준 전위로 채택하는 Logic회로가 내장된 전자기기나 Memory 계통에 에러를 유발 시킬 수 있다.
3 NOISE 대책
기기들이 서로 조화를 이루어 공조할 수 있는 능력을 적합성(EMC: Electro Magnetic Compati-bility)이라 하며 EMC는 EMI와 EMS로 구성되며, 노이즈 문제를 해결하기 위해서는 두가지 방법으로 접근할 수 있는데, 하나는 불요전자파의 방사를 억제하는 것이고(EMI: Electro Magnetic Interference, 전자파장해) 다른 하나는 어느 정도의 전자파 환경내에서도 그 장해를 견디며 정상적으로 동작할 수 있도록 내성(EMS: Electro Magnetic Susceptibility)를 강화시키는 방법이다.
노이즈 문제가 발생하려면 다음의 3가지 요소가 반드시 조합되어야 하며 이중 어느 하나만이라도 제거 되면 문제가 발생하지 않는다.
FIG-1 노이즈 문제의 3요소
효과적인 EMI 노이즈 대책이란 회로 메카니즘의 적절한 밸런스를 이루는 것으로 좁은 영역에서의 EMC를 말하는 것이라 할 수 있으며, 이와 같은 노이즈를 저감하기 위한 실제 기술로는 접지(Grounding), 필터링(Filtering), 차폐(Shielding) 등이 있다.
1) 접지기술
전자 기기 내부의 접지는 신호 그라운드(SG)와 프레임 그라운드(FG)로 나누어 볼 수 있는데, 노이즈에 의한 트러블은 이와 같은 SG계통과 FG계통의 레벨 변동이 원인인 경우가 많다. SG는 회로 전류를 귀환시키는 그라운드이므로, 전류가 흐르는 그라운드이고, FG는 전류가 흐르지 않는 그라운드로서 FG에 전류가 흐르면 외부로 노이즈 방사의 원인이 되기도 하고, 외부의 전자계에 대한 감수성을 높이기도 한다. 따라서 어스회로의 임피던스를 가능한 적게 하고, 어스회로에 전류가 흐르지 않게 하며, 또한 그라운드 루프를 형성하지 않도록 하는 것이 기본이다.
2) Lay-out
전자 부품 및 내부 와이어 같은 것들의 Lay-out이 의외의 노이즈 특성을 좌우하는 경우가 많다. 기본적으로 전기적인 성격이 다른 부분은 분리하는 것이 좋다. 예를 들어 입력↔출력, 디지털↔아날로그 고속↔저속, 고압↔저압, 저임피던스↔고임피던스을 분리하여 부품 배치와 배선 패턴을 최적화 하여 용량 결합, 유도 결합, 공통 임피던스 결합에 의한 노이즈 발생 메카니즘을 피하는 것이 좋다.
3) 전자부품 선정
IC 및 TR과 같은 능동소자, 콘덴서, 인덕터, 트랜스와 같은 수동소자 및 콘넥터, 스위치와 같은 기구품 등의 특성, 성능을 노이즈 발생 메카니즘과 관련시켜 검토하고 최적인 부품을 선정함으로써 노이즈에 대한 내력(Immunity)을 강화 시키고 노이즈 성분의 발생을 억제 시킨다.
4) 차폐기술( Shielding)
차폐는 노이즈의 영향을 받고 있는 회로나 기기의 장해 방지 수법 중 가장 기본적이고 넓게 사용되고 있는 방법으로 일반적으로 용량 성분적인 결합을 방지하는 것을 『정전쉴드』, 자계 및 전자파에 의한 결합을 방지하는 것을 『전자쉴드』라고 하며, 정전쉴드는 알루미늄이나 동등의 금속케이스나 쉴드 케이블을 사용하는 대책으로 낮은 레벨의 회로나 고주파 회로에 효과적이며, 전자쉴드는 외부로부터 자속의 영향을 받기 쉬운(또는 외부로 자속을 누설하기 쉬운) 트랜스, 인덕터와 같은 것을 니켈 등과 같이 고투자율 금속의 케이스를 사용하여 내부(또는 외부)에 대하여 자속의 침입이나 누설을 방지하는 것이다.
5) 필터기술(Filtering)
도체를 통해 전달되는 전도노이즈 및 자유공간으로 방사되는 방사노이즈에 대한 대책에서 양쪽 모두의 대표적인 방법으로 필터링 기술이 있다.
필터는 인덕턴스와 커패시턴스의 조합으로 구성되며 전원계에 사용되어지는 것과 신호계에 사용되어지는 것으로 구분된다. 전원용 필터는 고전압, 대전류에 견디도록 설계되며 일반적으로 30MHz 이하의 낮은 주파수 대역에서 주로 사용되고, 통상 30MHz 이상의 주파수 대역에서 적은 전류의 신호계에 사용되는 신호용 필터는 실제의 제품에 적용해보면서 각각의 경우에 맞는 최적의 필터를 결정하는 경우가 많다.
4. NOISE 관련 용어
A. RFI(Radio Frequency Interference) :『무선주파장해』로 무선통신의 통신장해, 혼신을 일컬음
B. EMI(Electro Magnetic Interference) : 『전자파장해』로 무선통신기기, 전자기기, 기계, 자동차 등 모든 물체에서 발생하는 직류에서 초고주파까지의 전자기 방해를 일컬음
C. EMS(Electro Magentic Susceptibility) : 『전자파감수성』으로 기기와 외부 항해의 영향을 얼마나 쉽게 받는지를 나타낸 것.
D. EMC(Electro Magnetic Compatibility) : 『전자환경적합성』으로 EMI와 EMS를 합친 것.
5. EMI 규격
미국, EU 등을 비롯한 선진 각국에서는 EMI에 대한 법적규제를 실시하고 있고 EMI문제를 해결하기 위하여 정확한 측정 방법, 대책 기술 개발등에 노력을 기울이고 있다.
이에따라 전자 전기 제품의 수출시 반드시 해당 국가의 EMI 규제에 통과하지 않으면 안되며, 주요 규격은 다음과 같다.
CISPR (IEC 국제 전자파장해 특별위원회)
FCC (미국연방통신 위원회)
VDE (독일 전기기술자 협회)
VCCI (일본정보처리장치 등 전자파장해 자주규제 협의회)
6. NOISE FITER
6-1 NOISE FITER의 개요
AC 전원 라인은 외부의 노이즈가 전자기기로 침입하기도 하고, 전자기기의 내부에서 노이즈가 외부로 유출되는 경로가 된다. 또한 AC 라인 노이즈에는 라인간에 발생하는 『노멀 모드 노이즈(Normal Mode Noise)』와 양쪽 전원 라인과 그라운드 사이에서 발생하는 『커먼 모드 노이즈(Common Mode Noise)』가 있다.
FIG-2 NOISE FILTER
따라서 노이즈 필터는 이러한 두 종류의 노이즈를 제거하는 회로망이 필요하다. 노이즈 필터는 3종류의 부품으로 구성된 것이 일반적으로 각 각의 부품은 노이즈의 모드와 주파수에 따라 커먼 모드 초크 코일이 저역의 커먼 모드 노이즈를 제거하고, 어크로스 라인 콘덴서가 저역의 노먼 모드 노이즈를 제거하며, 또한 라인 바이패스 콘덴서는 고역의 커먼모드와 노멀모드 양방의 노이즈 제거 역할을 한다.
커먼모드 초크코일은 1개의 폐자로 Core에 동일한 인덕턴스의 코일을 반대방향으로 감아서 부하에 공급하는 전류에 의한 코아의 포화는 방지하고(자속을 서로 상쇄시킴) 커먼 모드 노이즈에 대해서는 인덕터로 동작하며, 라인 바이 패스 콘덴서는 라인과 프레임 그라운드간에 접속하는 콘덴서이다.
 FIG-3 노멀모드노이즈에 의한 등가회로 |
 FIG-4 커먼모드노이즈에 의한 등가회로 |
6-2 사용상 주의사항
1) NOISE FILTER는 기기의 입출력 단자와 가장 가깝게 접속해야 하며, NOISE FILTER의 입출력선은 서로 겹치지 않도록 하여 NOISE FILTER의 감쇄 특성이 최대한 발휘 되도록 한다.
2) NOISE FILTER를 기기에 장착할 때는 가능한 고주파 저항을 최소화 하여야 하며, 이를 위하여 금속 케이스의 NOISE FILTER를 접속할 때는 기기의 접속 부분의 도장 성분을 제거하여 전기 전도성을 좋게하며, 접지 단자가 있는 NOISE FILTER는 반드시 NO-ISE FILTER의 접지 단자와 가장 가까운 거리에 접지한다.
3) 고전압의 SURGE나 IMPULSE가 침투할 우려가 있는 경우에는 NOISE FILTER 앞단에 SURGE ABS-ORBER를 사용하는 것이 좋다.
4) NOISE FILTER의 전압, 전류 정격 이내에서 사용하여 NOISE FILTER의 성능 및 신뢰성이 떨어지지 않도록 한다.
[4호]한국전자전 2010
한국전자전2010[KES 2010]
글 | 이용세 기자 edgar@ntrex.co.kr
2010년 10월 12일(화)∼10월 15일(금)까지 일산 킨텍스(KINTEX)에서 제 41회 한국전자전 행사가 열렸다.
이번 행사는 국내 대기업을 포함하여 600개사 참여기업, 1,300부스의 규모로 진행되었다.
참여 업체들은 첨단 IT기술 대표 상품과 신상품, 그리고 출시 예정품들을 선보이며 수많은 관람객들의 시선을 사로잡았다.
이번 전시회의 이슈는 모바일과 3D/4D로 느껴졌다.
실시간 촬영 영상을 바로 3D영상으로 화면에 전송하는 기술. 촬영되는 화면을 직접 시청해보니 일반화면에서 느낄 수 없는 생동감에 놀라지 않을 수 없었다.
패널형 터치패널 외에는 상용화가 안 되는 듯 보였다. 하지만, 깨지기 쉽거나 탈부착 문제 등의 취약점을 보완할만한 상품을 발견했다. 카메라 방식의 터치센서는 가이드 틀의 형태이다. 다시 말해 틀만 있고 비어있다는 것이다. 비어 있는 공간이 바로 터치하는 부분으로 모니터 출력화면이 되는 곳이다. 어디든 쉽게 장착이 가능하고 깨질 위험도 없다.
런닝머신 사용시 지루함을 덜기 위하여 음악이나 모니터를 부착하여 영상물을 시청하는 기존 상품에 그래픽 시뮬레이션이 사용되기도 한다.
뛰는 속도에 반응하는 화면 속 캐릭터는 그래픽 화면 속 가상 세계에서 원하는 곳, 어느 장소로도 뛰고 이동한다. 직접 체험해보지 못해서 살짝 아쉽다.
안경을 쓰고 어느 정도 거리를 유지해줘야 하는 3D TV의 단점을 해결한 제품들도 등장했다. 무안경 3D TV는 각도와 거리에 따라서 탁월한 3D화면 구성을 보여줬다. 3D TV용 안경의 답답함 없이 느끼는 화면은 놀라울 따름이었다.
놀라게 했던 60인치 3D TV, 그리고 화면이 휘어져도 출력되는 모니터를 보면서 앞으로 실생활속에 적용될 놀라운 기술들을 기대해본다.
3D화면을 게임환경으로 전시한 상품 중 자동차게임은 정말 생동감이 엄청났다. 6대의 모니터를 배치를 하여 중앙에 자리를 잡으면 정말 자동차를 운전하는 것과 같은 느낌이 들었다. 실감나는 사운드와 게임용 핸들의 진동, 주행 화면들이 정말 대단했다.
짧은 시간동안 관람하면서 작년 전시회를 떠올려 보았으며, 내년에 진행될 전시회를 기대해 보았다.
[4호]왕초보 전자회로 강좌특집 4부 – 3
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왕초보 전자회로 강좌특집 4부 – 3
글 |스네일앤 스네이크 ※ 상기 내용은 디바이스마트와 스네일앤 스네이크의 협의를 |
CMOS 4011을 사용한 게이트 회로 (NAND Gate)
▶ 회로설명 (circuit description)
이번 시간에는 (먼저 시간의 후속으로) 4011, NAND 게이트를 주제로 한 실험입니다. 로직 IC와 논리 게이트 종류만 달라졌을 뿐, 실험의 모든 목표와 순서는 먼저 시간의 NOR 게이트와 완전히 같습니다.
NAND 게이트는 로직 회로에서 가장 많이 사용되는 게이트입니다.
반면에 NOR 게이트는 (동일한 기능에도 불구하고) 많이 사용되지 않습니다. 이유는 모릅니다. 그러나 디지털 회로를 접하다 보면 NAND 게이트를 자주 만나게 될 가능성이 아주 높습니다.
로직 게이트 실험은 NAND와 NOR 게이트만으로 충분합니다. 다만 논리동작 자체에 만족하기 보다는 “CMOS 논리 IC에서 로직의 High, Low 상태란 것이 어떤 전압값으로 나타나는가?”라는 의문을 가져보는 편이 훨씬 유용합니다. (TTL IC를 실험하는 경우도 마찬가지) 왜냐하면 전원전압이 달라짐에 따라 로직의 High, Low 상태도 달라지기 때문입니다. 전압의 변화는 테스터로 충분히 확인할 수 있으며, 익숙해지면 (굳이 출력단자에 Tr과 LED를 연결해 확인하지 않아도) 전압만으로 로직 IC의 상태를 간단히 체크할 수 있어 로직회로의 설계와 제작에 큰 도움이 됩니다.
로직회로에 사용된 논리 IC의 입/출력 상태를 마음대로 읽어낼 수 있으면, 이미 로직 IC는 내 손안에 들어와 있는 것입니다. 언제라도 원하는 논리조건을 실제 회로로 구현해서 사용할 수 있게 되었으니까요.
▶ 회로도 (The circuit diagram) : CMOS Logic IC 4011 (NAND gate) – 4011 메뉴얼
▶ 회로동작 설명 (circuit operation)
4011 Logic IC는 4개의 NAND 게이트를 가지고 있습니다.
(핀 배치는 그림참조)
※ 로직 IC에서 핀 번호를 매기는 방법은 일반 IC와 마찬가지 입니다.
(좌측 상단이 1 번, 반 시계 방향으로 돌아가며 번호 매김) 언제나 IC상단의 턱을 확인하여, 1번 핀의 위치를 확실히 해 두고 작업해야 합니다.
로직 IC를 사용할 때 게이트 번호에 열중하다가, IC자체의 전원과 GND 단자를 회로에 연결하지 않는 경우가 종종 발생합니다. 더구나 실제의 로직 회로도는, (로직 IC의 전원연결에 대해 언급하지 않고) 오직 게이트 사이의 연결만 설명하는 것이 관례입니다. 그러므로 로직 IC를 사용할 때 항상 “로직IC자체의 전원과 GND를 연결해야함”을 머리속에 넣고 있어야, 회로 완성후에 당황하지 않을 수 있습니다.
1. 첫 번째 시험회로는 NAND 게이트의 진리표를 확인하는 것입니다. 동시에 High→Low 입력상태 변환과 출력 시험회로도 함께 실험합니다. 회로에서 입력 A와 입력 B의 처음상태는 둘 다 High 입니다.
NAND게이트 진리표에 의하면, 출력은 Low상태가 됩니다. 로직 IC의 출력이 Low이면, 출력전압은 GND와 (거의) 같은 0V가 되므로 출력단자에서 흐르는 전류는 없습니다. 베이스 전류에 없으므로 트랜지스터의 콜렉터 전류도 없으며, LED는 꺼진 상태가 됩니다.
PB1이나 PB2를 누르면 NOR게이트의 입력 A와 입력 B는 High→Low 상태로 전환됩니다. 이유는 푸시버튼을 누름으로써 입력 단자가 전원 보다 GND에 더 (전기적으로) 가까와졌기 때문입니다. 전원과 입력단자 사이에는 10K 저항이 놓여 있으니까요. 이 경우는 진리표에 따라 출력단자가 High, 즉 6V가 되므로 출력단자에서 10K 저항을 거쳐 Tr로 베이스 전류가 흐르고, 그 결과 콜렉터 전류도 흐르게 됩니다. 물론 LED는 켜지게 됩니다.
※ 회로도에 보면 입력 A단자에 1번, 입력 B단자에 2번, 출력단자에 3번으로 결정되어 있습니다. (즉 40114개의 게이트 중에 좌측 상단의 것을 사용한 것입니다) 그러나 이 것은 설계자가 임의로 정한 것입니다. 4011 IC내 다른 번호의 게이트 입/출력으로도 시험해 보십시요. 같은 결과가 나와야 합니다.
2. NAND 게이트 실험이 성공적으로 끝나면 회로도 안의 붉은 점선으로 표기된 “등가회로 대치부분”을 회로도 아래의 ①, ②, ③, ④ 4개의 등가회로로 하나씩 바꿔 넣고, (앞 페이지의) 진리표에 따라 실험해 보십시요. 이 실험은 NAND 로직 게이트를 조합하여, 다른 모든 종류의 게이트를 만들어 낼 수 있다는 것을 보여주는 것이 목적입니다.
※ ①번의 NOT 게이트만 제외하면, 모두 두 개의 입력과 하나의 출력을 가지고 있으므로 회로를 쉽게 대치할 수 있을 것입니다.
NOT 게이트는 입력이 하나이므로, 두 개 중 어느 입력을 사용해도 O.K) ”AND, OR, NOT의 기본 세가지 게이트만 있으면 (메모리를 제외한) 모든 논리회로를 만들 수 있고, NAND 게이트만 조합하면 기본 게이트를 만들 수 있으므로 결국 NAND 게이트 IC만 이해하면, 게이트 회로 공부는 끝이로군!” 이라는 느낌을 가져보십시요. (NOR 게이트도 마찬가지임)
3. (NAND) 로직 게이트 조합실험이 무사히 끝나면 NAND 게이트 2개를 응용한 세트/리세트 논리회로 (Set/Reset Logic Circuit)를 실험해 보겠습니다.
일반적인 게이트 회로에서 입력 부분에 스위치나 스위치 회로가 연결되는 경우가 많이 나타납니다. 소위 스위치라는 종류의 부품이 동작할 때는 기계적인 접점의 형태이거나, 전기적 변환이 이루어지는 형태이거나 결국은 전기 흐름의 끊어짐(불연속)이 발생합니다. 이 불연속 동작을 로직 회로의 입력측에서 보면, 몇 번의 펄스가 반복해서 들어오는 것으로 보여지게 됩니다. 결국 단 한번의 스위치 동작이, 로직 회로에서는 몇 개의 (확실하지 않은 수의) 펄스 입력이 나타나는 결과로 되어 버리지요.
이래서야 곤란하기 때문에 로직 회로의 스위치가 있는 입력 부분에 슈미터 트리거 회로나 Set/Reset 로직회로를 사용해서, 미리 방지를 해 줍니다. Set/Reset 로직회로는 2개의 입력을 가지고 있는데, 하나의 입력에 몇 개의 펄스가 들어오더라도 처음의 하나만 유효한 펄스로 간주하고 (나머지는 무시하는) 회로입니다. 다른 입력에 펄스가 들어와야, 다시 (처음 입력이) 준비상태로 들어갑니다. 그래서 이름도 세트/리세트 회로입니다.
즉 “리세트” 될 때 까지는, “세트” 입력이 딱 한 번만 동작하는 거지요.
두 번째 회로를 시험해보면 PB1, PB2를 누름에 따라, 출력 LED의 점등이 깨끗하게 동작하는 것을 느낄 수 있습니다. (첫 번째 회로는 입력 푸시버튼의 (불안정) 상태가 그대로 출력 LED에 반영됩니다. 스위치를 일부러 살며시 문질러 시험해 보십시요.) 눈으로는 확인할 수 없지만, 스위치 접점의 불안정 상태은 완전히 걸러져서 딱 1회분의 입력만이 출력으로 전달된답니다.
※ 가지고 있는 테스터로 제작한 로직 회로의 입력과 출력전압을 반드시 확인하고, 마음속에 기억하여 두시기 바랍니다. (조합회로도 마찬가지 입니다.) 향후에 CMOS 로직 IC를 이용하여 회로를 만들 때 회로내에서 동작하는 로직 IC의 입/출력 상태를, 테스터 전압 측정만으로 정확하게 알아낼 수 있습니다. (단 펄스의 유무나 동작확인은 테스터로 무리입니다)
CMOS 4013 (D-F/F), 4093의 펄스열 분주회로
▶ 회로설명 (circuit description)
지금까지 로직회로에 사용되는 여러 게이트들을 4001, 4011 CMOS IC로 실험해 보았습니다. 실험에 의해, 이제 로직회로를 어떻게 제작하고 동작을 확인하는지에 대한 감을 잡으셨을 것입니다. 테스터로 High, Low 상태확인도 익숙해 졌을 테고요. 로직회로는 한 번 실험해 보면 금방 이해할 수 있으며, 쉽게 응용할 수 있는 성질을 가지고 있습니다.
이번 시간에는 게이트와 함께 로직회로의 기본 블록을 이루는 플립플롯을 공부해 보겠습니다. 플립플롯은 J/K형과 D형이 기본이지만 결국 하는 일은 (논리상태의) 기억 즉 메모리 기능입니다. 메모리란 어떤 상태를 일정시간 유지하는 것이므로, 결국 논리상태의 시간지연을 가져옵니다. 이렇게 시간지연이 나타나는 현상에는 타이밍 챠트(Timing chart)가 동작분석과 이해를 돕는데 유용하게 사용되고 있습니다.
※ D형 플립플롯은 J/K형에 NOT게이트를 하나 추가해서 만들어집니다. 결국 기본은 J/K형 플립플롯 하나 뿐입니다.
일반적인 플립플롯 IC는 Q와 Q바 (Q 위에 줄이 그어진 문자) 라는 두 개의 출력단자를 가지고 있습니다. 출력 Q와 Q바의 상태는 언제나 반대입니다. 즉 Q가 High이면 Q바는 Low 상태이며, Q가 Low이면 Q바는 High 상태가 됩니다. (즉 Q바 = Q + NOT)
플립플롯을 사용한 논리회로에는, Q와 Q바의 상태를 함께 활용하는 경우를 많이 발견할 수 있습니다.
일반적으로 D F/F은 D, ck의 2개 입력과 Q, Q바의 2개 출력을 갖고 있습니다. D F/F의 동작을 설명하기 위해 먼저 입력단자 D의 상태가 High, Low 둘 중 어느 하나로 되어 있다고 가정합니다. 이 상태에서 다른 입력단자 ck에 펄스를 입력 시킵니다. 그러면 (IC의 종류에 따라) 펄스의 상승순간이나 하강순간에서 입력 D의 상태가 출력 Q로 복사됩니다. (즉 D = Q) 물론 Q바의 상태는 Q와 반대로 됩니다.
※ 펄스의 상승순간을 상승에지(rising edge), 하강순간을 하강에지(falling edge)라고 부릅니다.
▶ 회로동작 설명 (circuit operation)
CMOS 4013 IC는 2개의 D F/F을 가지고 있으며, ck 입력단자에 가해지는 펄스상태가 Low에서 High로 되는 순간, 입력 D의 상태가 출력 Q로 전달됩니다. 한 마디로 4013 IC는 상승에지(rising edge)형 D F/F 입니다. (핀 배치는 그림참조)
CMOS 4093는 4개의 NAND 게이트를 가지고 있는 로직 IC 입니다. 핀 배치는 4011과 동일하며, 차이점은 입력단자가 “슈미트 입력” 특성으로 설계되어 있다는 것입니다. (4093 NAND 게이트 심볼안에 표기된 기호가 “슈미트 입력”을 나타냅니다)
※ “슈미트 입력” 특성은 IC의 입력단자의 High, Low 상태를 받아들이는 회로에 의해 나타납니다. 보통의 로직 IC 입력회로는, 어떤 (일정한) 입력전압을 기준으로 High와 Low 상태를 판정합니다. 즉 기준 이상의 전압은 High, 이하는 Low 상태로 인식하게 되는 거지요. 그러므로 기준전압 부근에서는 판정하기가 애매한 상태로 되고 맙니다. 만일 기준전압 근방에서 입력전압이 상하로 변동하면 바로 몇 개의 High, Low 상태로 받아들입니다. (기계식 접점을 가진 스위치가 입력단자에 연결되었을 때 발생하는 문제임)
반면에 “슈미트 입력”은 기준전압을 2개 정해 놓습니다. “슈미트 입력” 회로는 낮은 기준 전압을 통과한 입력 전압이 높은 기준전압까지 통과할 때 오직 한 번만 High 상태로 인정합니다. 반대로 High→Low 상태는 높은 기준 전압에서 내려온 입력전압이 낮은 기준전압을 통과하면 (역시) 한 번만 받아들입니다.
그러므로 “슈미트 입력”의 특성은 세트/리세트 입력회로 특성과 같습니다. 차이점은 “슈미트 입력”은 입력단자 안의 회로에 들어 있으며, 세트/리세트 회로는 (일반) 로직 게이트로 만들어진다는 정도입니다.
▶ 실험회로의 첫 번째는, D F/F 하나를 사용한 2분주 회로입니다.
4093 IC의 1, 2, 3 핀으로 이루어진 NAND 게이트는 R1, C1과 함께 약 1Hz의 구형파 펄스열을 발생시킵니다. 발생된 펄스열은 5, 6, 4 핀으로 구성된 NAND 게이트 출력에 연결된 LED로 확인할 수 있습니다. (R2, 3.3k 저항에 의해 약 1mA 전류로 LED를 구동하므로 출력 Tr이 필요없음.
단 LED는 밝지 않음. 4093 게이트의 출력 sink 전류는 2mA 정도)
D F/F의 Q 단자 출력상태를 LED로 확인하기 위해 Tr 출력 확인회로를 사용하였습니다. Q바 출력의 상태는 Q 출력과 반대임을 테스터로 (반드시) 확인해 두시기 바랍니다.
회로의 핵심은 그림에 나타난 타이밍 챠트에 잘 나타나 있습니다.
1. 처음 전원이 (회로에) 투입되면 4013 D F/F의 Q는 High, Q바는 Low 상태가 됩니다.
2. (회로에 보면, 입력 D 단자에 Q바 단자가 연결되어 있으므로..) D는 Low 상태
3. 입력펄스(Clock)의 상승에지가 D F/F의 ck입력에 가해지는 순간, Q = D = Low가 되고 Q바 = High
4. 이제 D = Q바 = High 상태로 바뀝니다.
5. 다음의 입력펄스(Clock)에 의해, Q = D = High가 되고 Q바 = Low 상태로 됩니다.
6. 다시 2번으로 가서 계속됩니다.
결과는 2번의 입력펄스(Clock)로, D F/F 출력의 상태가 한 번의 (긴 주기) 펄스로 변화 하였습니다. 즉 입력펄스 갯수의 2분주(÷2) 회로로 작동한 것입니다.
※ 1 Hz 입력펄스(Clock)의 변화가 너무 빠르므로 찬찬히 타이밍 챠트를 확인하기 힘듭니다. 왜 지금까지 실험한 세트/리세트(Set/Reset) 논리회로의 출력을 입력펄스(Clock) 대신으로 하지 않으십니까? PB 스위치로 하나하나 펄스를 발생시켜 가면서 차분히 관찰하여 보십시요.
▶ 두 번째 실험회로는, D F/F 두 개를 연속으로 사용한 2분주, 4분주 회로입니다. 단 초단 D F/F의 입력앞에 부가된 NOT 게이트가, 4013 동작을 입력펄스 하강부분에서 동작하는 D F/F 처럼 변화시켰음에 주의 하십시요. (8, 9, 10 핀으로 구성된 NAND 게이트 사용)
첫 번째 2분주 실험회로와 (원리적으로) 같은 동작을 보이므로 실험으로 그림의 타이밍 챠트를 확인하여 보십시요. (그림의 여백 부족으로 D F/F Q바들의 파형은 타이밍 챠트에서 생략되어 있습니다. 함께 그려넣고 논리를 따져보면 훨씬 쉽게 이해할 수 있습니다)
※ 첫 번째 실험과 마찬가지로 세트/리세트(Set/Reset) 논리회로의 출력을 사용하여 관찰하십시요.
CMOS 4017, 4093을 사용한 10진 카운터 회로
▶ 회로설명 (circuit description)
4번째로 마지막 실험입니다. 이번 시간에는 플립플롯을 여러개 사용하여 설계된 카운터 IC를 실험해 보겠습니다. 카운터 IC의 종류는 2진, 10진, 16진등 여러가지가 있으나, 실험에 사용한 CMOS 4017 IC는 10진 카운터입니다.
역시 카운터의 동작도 예의 타이밍 챠트 (Timing Chart)를 사용하여 분석하면 알기 쉽습니다.
▶ 회로도 (The circuit diagram)
CMOS Logic IC 4017 (10진 카운터 IC) – 4017, 4093 메뉴얼
▶ 회로동작 설명 (circuit operation)
CMOS 4017 IC는 한 개의 10진 카운터를 내장하고 있으며, 입력펄스의 상승에지 순간마다 하나씩 카운터의 수가 증가합니다. (핀 배치는 그림참조)
함께 사용한 4093(슈미터 입력) NAND 게이트 IC의 핀 배치는 4011과 같습니다. 4093을 사용한 1Hz 구형파 발진회로와 발생파형의 LED 확인회로는, 먼저 시간의 회로 및 동작설명과 동일합니다.
4017 10진 카운터 IC의 (14번핀) 입력으로 인가된 1Hz Clock 펄스의 숫자는, 출력단자에 연결된 10 개 LED의 점등으로 확인할 수 있습니다. 각 LED의 정확한 점등시점과 유지시간은… 그림 하단의 타이밍 챠트를 참조하고, 카운터 동작은 실험으로 확인하십시요.
※ 1Hz 입력펄스(Clock)의 변화가 너무 빠르므로 찬찬히 타이밍 챠트를 확인하기 힘들 것입니다. 먼저 시간에 실험한 세트/리세트(Set/Reset) 논리회로의 출력으로 입력펄스(Clock)를 대신하여 보십시요. PB 스위치를 사용하여 필요한 펄스를 하나씩 하나씩 발생시킬 수 있으므로, 카운터 IC의 동작을 차분하게 관찰할 수 있습니다.
※ ÷10 출력단자는 실험에 사용하지 않습니다. 확인하기 위해서는 LED와 저항을 연결하여 보십시요.
▶왕초보 전자회로의 기초 로직회로 강의를 종료합니다.
수고하셨습니다. 다음 강의에 만나뵙겠습니다.
[4호]왕초보 전자회로 강좌특집 4부 – 2
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왕초보 전자회로 강좌특집 4부 – 2
글 |스네일앤 스네이크 ※ 상기 내용은 디바이스마트와 스네일앤 스네이크의 협의를 |
AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR gate 진리표 (Truth Table)
▶ 회로설명 (circuit description)
이번 시간에는 로직블록의 종류와 입/출력 상태의 관계를 보여주는 진리표(Truth Table)에 대해 설명합니다. 만약 처음으로 로직회로를 접하는 분이 있다면, 단순하면서도 다양한 기본 블록의 쓰임새에 매료 당하게 될 것입니다.
로직블록의 최대 매력(魅力)은 기본 종류가 딱 4개 뿐이라는 것입니다.
기묘하게도 기본이 되는 종류의 숫자가 적을수록 더 강력한 응용과 확장성을 가지는 경우가 많습니다. 예로 (유클리트) 기하학에서 도형의 기본형도 마찬가지입니다. 원, 삼각형, 사각형의 세 종류면 기초 수학에는 충분합니다. 고급 응용단계에서 타원, 포물선, 쌍곡선이 추가되는 정도지요.
물론 여기에 점(點)과 선(線), 좌표(座標)의 개념이 필요하겠군요.
어쨌거나 도형의 기본형은 세 개 (혹은 6개) 뿐입니다. 수 많은 응용에 비하면, 놀랄만큼 적은 숫자입니다.
로직도 마찬가지입니다. AND게이트, OR게이트, NOT게이트의 세 종류면 논리회로는 전부 만들 수 있습니다. 여기에 메모리 역할을 하는 JK F/F (엄밀하게는 D F/F. D F/F은 JK F/F에 NOT 게이트를 하나 더해서 만듬) 하나만 추가하면 (세상의) 모든 로직 회로는 다 만들 수 있습니다.
아 그래요? 다 만들 수 있다고요…??? 그렇죠 뭐… 원래 그렇게 되어있는 것 아닌가요? ← 흠! 이렇게 심드렁하게 생각하시는 건 아니죠?
사실 현재의 마이컴까지도, (파고 들어가면) 이 네 가지 기본 로직 요소로 분해되고 맙니다. 이 이야기는, 온갖 종류의 (디지털) 무기고 열쇠가 손에 들어왔다는 뜻이며 역으로 세상의 모든 (디지털) 무기를 분해하는 방법을 보여주고 있다는 점에서, 중대한 의미를 지니고 있습니다.
(이제, 중요하다고 동의하는데 한 표 어떻습니까?)
▶ 회로도 (The circuit diagram) : 로직 기본블록 + AND, NOT, NAND 게이트 진리표 (Truth Table)
설명드린 대로 로직회로는 AND, OR, NOT, JK F/F의 4종류면 풀 세트가 완비됩니다. 그러나 편리와 효율성을 위해 NAND, NOR, XOR 게이트와 D F/F의 4종을 더해서, 모두 8종류를 설명합니다.
※ “NAND = AND + NOT”, “NOR = OR + NOT”의 의미입니다. NAND 혹은 NOR 게이트 만을 사용하여 AND, OR, NOT, XOR 기본 게이트를 전부 만들 수 있는 장점이 있으므로, (한 종류의 IC로 설계하면 여러모로 편리하므로) 표준 로직 IC로 폭 넓게 사용됩니다.
① AND gate : 입력(단자)의 상태가 모두 High가 되어야만, 출력(단자)의 상태가 High로 되는 논리 게이트입니다. 반대로 (여러개의) 입력 중에 하나라도 Low가 있으면, 출력은 Low가 됩니다. 이러한 정의를 표로 만든 것이 진리표(Truth Table) 입니다. 가만히 들여다보면 두 입력 A와 B가 모두 “1″일때만 출력 X가 “1″이 된다는 것을 알아차릴 수 있습니다. (진리표는 가로로 읽습니다. 행 단위임)
※ 논리회로에서 입 / 출력 단자의 High 상태는 “1″, Low 상태는 “0″ 으로 표시합니다.
※ 논리회로에서 상태는 둘 밖에 없습니다.
즉 High와 Low, 1과 0뿐입니다. 어중간한 상태란 없습니다.
그래서 디지털은 “이진논리에 따른다.”라고 합니다.
② NOT gate : 입력 단자가 하나뿐인, 가장 간단한 논리 게이트입니다. 입력 단자와 출력단자의 상태는 반대가 됩니다. 더 드릴 말씀이 없습니다.
③ NAND gate : 가장 쓸모가 많아서 널리 사용되는 논리 게이트입니다. 2~3개를 연결하면, AND, OR, NOT, XOR등 모든 게이트로 변신합니다. NOT를 의미하는 작은 원을 가진 심볼 모양에 주의 하십시요. (AND에서 NOT으로 이어지는) NAND 게이트의 진리표를 해독할 수 있으면, 몇 단계로 복잡하게 연결된 논리 게이트 상태도 (같은 요령으로) 해독하는 능력을 갖게 됩니다.
▶ 회로도 (The circuit diagram) : OR, NOR, XOR (JK F/F, D F/F) 게이트 진리표 (Truth Table)
④ OR gate : 입력(단자)의 상태가 하나라도 High가 되면, 출력(단자)의 상태가 High로 되는 논리 게이트입니다. 반대로 (여러개의) 입력이 전부 Low가 되어야만, 비로소 출력은 Low가 됩니다. AND게이트와 반대 의미가 있습니다.
⑤ XOR gate : OR 게이트의 변형입니다. 동작은 OR 게이트와 같으나, 입력이 전부 High이면 출력이 Low가 된다는 점이 다릅니다. 가끔 유용하게 사용됩니다.
⑥ NOR gate : NAND 게이트와 의미는 같습니다. (NAND 게이트가 NOR 게이트보다 많이 사용됩니다)
⑦ 플립플롯 (JK F/F, D F/F) 진리표 : 많이 사용되는 대표적인 플립플롯은, 1 bit 메모리 기능을 갖고 있는 D F/F 입니다. 로직회로에 직접적으로 사용되기 보다는, 카운터 IC나 Latch IC로 특화되어 사용됩니다. 여러가지 종류의 IC마다 사용법이 조금씩 달라지므로 실제 사용하는 회로안에서 설명하겠습니다.
※ 플립플롯은 입력 단자도 많고, 상태도 복잡하여 진리표가 유효하지 않습니다. 특히 입력펄스의 Low → High 순간 (riging edge) 이나, High → Low 순간 (falling edge)에 상태변환이 일어나므로 오히려 그림과 말로 설명하는 편이 좋습니다.
로직 게이트의 입력/출력 연결조건 + 기본회로 알아보기
▶ 회로설명 (circuit description)
로직 게이트의 사용은 쉽고, 재미있습니다. (계산해서) 설계한대로 연결하고, 입력조건만 맞춰주면 (스스로 알아서) 잘 동작합니다.
전문가가 만드나 초보자가 만드나 전혀 차별하지 않고 동작해 줍니다.
비록 초보자가 지저분하게 연결해도 (기특하게) 잘만 작동합니다.
그러면 실제로 로직 게이트를 구현하고 있는 로직 IC의 입력과 출력을 연결하는데 필요한 몇몇 약속들을 먼저 알아봅시다
▶ 회로도 (The circuit diagram) : 입/출력 단자의 연결조건 맞추기
이제부터는, 같은 종류의 로직 패밀리 IC를 사용한다는 전제하에 설명합니다. 로직 패밀리 IC는 트랜지스터를 사용한 TTL계열의 74LSxxx시리즈와, FET를 사용한 CMOS계열의 40xx, 45xx 시리즈가 대표적입니다.
그림 ① 로직 IC의 입력끼리는 몇 개라도 서로 연결할 수 있습니다. (제한이 없습니다)
그림 ② 로직 IC의 출력은 서로 연결할 수 없습니다.
이유는 “마법의 갈고리” 즉 “입력 싱크전류”를 만족시키기 위해 로직 IC 출력회로는 (상당히 큰) 전류를 공급하거나 흡수할 수 있도록 설계되어 있습니다. 만약 서로 연결된 두 출력이 같은 논리상태라면 문제가 없지만 서로 다른 상태인 경우, 상태 High인 IC 출력단자에서 상태 Low인 IC 출력단자 쪽으로 큰 전류가 흐르게 됩니다. 이런 과전류 상태에서 몇 분 정도는 문제가 없지만, IC는 점차 과열되고 결국 파손되어 버립니다. 이런 경우에 IC를 만져보면 (부분적으로) 뜨끈, 따뜻합니다.
그림 ③ 로직 IC의 입력과 출력은 바로 연결합니다. 특히 1 : 1로 하나씩 연결하는 경우는 만사 O.K 입니다.
그림 ④ 하나의 로직 IC의 출력에 여러개의 입력을 연결하는 경우에도 바로 연결하면 됩니다. 연결되는 입력의 갯수가 10개 이하이면 아무런 문제가 없습니다. (우리에게는 충분히 여유있는 갯수이지요.)
※ 일반적으로 로직 IC의 출력 하나에 10~20개의 입력을 연결하는 경우는, 메뉴얼을 참고하는 편이 바람직합니다. 소위 “팬 아웃(Fan Out)”의 문제가 발생할 수 있기 때문입니다.
그림 ⑤ 회로에서 맨 처음 로직 IC의 입력상태를 정하려면, 전원이나 GND에 연결하면 됩니다. (전원에 연결하면 High 상태, GND에 연결하면 Low 상태)
※ 입력의 상태를 High → Low나 Low → High로 변환시키려면 스위치와 함께 저항이 필요해집니다. (저항이 없으면 전원과 GND가 쇼트되므로, 회로가 동작하지 않습니다) 이 경우에 입력단자에 저항을 거쳐 전원이나 GND에 연결하게 되는데 역시 동작에는 문제가 없습니다.
입력단자에 직렬로 연결된 외부저항의 유무가 입력 상태에 영향을 미치지 않는 이유는 로직 IC 입력회로의 내부 임피던스가 크기 때문입니다.
(임피던스란 저항을 의미 엄밀히는 교류저항) 입력회로의 내부 임피던스가 크면 부가된 외부 저항으로 변화한 입력 전류가 적고, 그 결과 상태에 별 영향이 없게 됩니다.
그림 ⑥ 로직 IC의 출력단자는 전원이나 GND에 바로 연결할 수 없습니다. (이유는 ②번과 동일)
▶ 회로도 (The circuit diagram) : Logic IC 입력의 High / Low 상태 만들기 + 출력 확인하기
1. 로직 IC 입력 회로
① 그림은 입력을 High 상태로,
② 그림은 Low 상태로 만드는 회로입니다.
2. 로직 IC 입력의 상태를 전환하는 회로
① 그림은 스위치를 누르면 입력 상태가 High에서 Low로 전환되는 회로이며,
② 그림은 입력상태가 Low에서 High로 바뀌는 회로입니다. 로직 회로에서 입력상태를 변환시키는 설계에 많이 사용됩니다.
3. (CMOS) 로직 IC 출력 시험회로
TTL로직 IC인 경우 출력의 싱크전류를 이용하면 LED를 바로 점등할 수 있습니다. 그러나 CMOS로직 IC의 출력인 경우, (출력 소스, 싱크전류가 적어서) 반드시 트랜지스터를 사용해야 LED를 점등시킬 수 있습니다.
① 그림은 출력 High상태에서 (NPN)Tr이 구동되고 LED가 켜집니다.
② 그림은 반대로 출력이 Low인 상태에서 (PNP)Tr이 구동되어 LED가 켜지는 회로입니다. (10K 저항은 베이스 전류 제한용이며, 220Ω 저항은 LED 전류제한용 입니다)
이 회로들을 사용하면, 로직 IC의 출력상태를 점검할 수 있어 편리합니다.
CMOS 4001을 사용한 게이트 회로 (NOR Gate)
▶ 회로설명 (circuit description)
이제 실험으로 로직 IC를 이해 할 시점입니다. 대표적인 로직 IC 패밀리는 TTL, CMOS 두 종류가 있지만 TTL 계열은 전원전압 조건이 5V의 ±5% 안에 들어야 한다는 무척이나 까다로운 편이라서, 역시 3~15V의 전원전압 범위를 자랑하는 CMOS 계열을 택했습니다.
CMOS 계열은 넓은 전원전압 범위 + 저 전력의 장점으로 실제 회로설계에도 널리 사용되고 있으며, CPU나 메모리 IC, LSI, VLSI 칩 등에 광범위하게 사용되는 MOS-FET를 기본소자로 사용하고 있다는 장점이 있습니다. 반면에 트랜지스터를 기본 소자로 채택한 TTL은 전원조건이 까다롭고 소비전류도 많은 편이지만, 수십 MHz의 고속 동작에 강하다는 특유의 장점을 자랑합니다.
아마도 전문가가 아닌 영역에서 고속동작 로직을 필요로 하는 경우는 적기 때문에, 전원 호환성이 우수하고, 주변 설계가 용이한 CMOS 계열 로직 IC를 실험하는 편이 여러모로 유용하다고 생각합니다.
로직 IC의 실험목적은
1. AND, OR, NOT, XOR 기본 게이트의 입/출력 진리표로 동작확인
2. NAND, NOR 게이트를 조합하여 기본 게이트를 만들기
3. NAND, NOR 게이트로 세트/리세트 논리회로 (Set/Reset Logic Circuit)를 만들고 동작시켜보기
4. 로직 입력상태를 High→Low, Low→High로 변환시키는 회로 만들기
5. 트랜지스터로 로직 IC의 출력단자 상태를 확인하는 회로 만들기” 등 총 다섯가지 입니다.
그 실험 중에서 이번 시간에는 4001, NOR 게이트를 주제로 한 실험을 준비하였습니다.
▶ 회로동작 설명 (circuit operation)
4001 Logic IC는 4개의 NOR게이트를 가지고 있습니다.
(핀 배치는 그림참조)
※ 로직 IC에서 핀 번호를 매기는 방법은 일반 IC와 마찬가지 입니다. (좌측 상단이 1번, 반 시계 방향으로 돌아가며 번호 매김) 언제나 IC 상단의 턱을 확인하여, 1번 핀의 위치를 확실히 해 두고 작업해야 합니다.
로직 IC를 사용할 때 게이트 번호에 열중하다가, IC자체의 전원과 GND 단자를 회로에 연결하지 않는 경우가 종종 발생합니다. 더구나 실제의 로직 회로도는, (로직 IC의 전원연결에 대해 언급하지 않고) 오직 게이트 사이의 연결만 설명하는 것이 관례입니다. 그러므로 로직 IC를 사용할 때 항상 ”로직 IC자체의 전원과 GND를 연결해야함”을 머리속에 넣고 있어야, 회로 완성 후에 당황하지 않을 수 있습니다.
1. 첫 번째 시험회로는 NOR 게이트의 진리표를 확인하는 것입니다.
동시에 Low→High 입력상태 변환과 출력 시험회로도 함께 실험합니다.
회로에서 입력 A와 입력 B의 처음상태는 둘 다 Low입니다. NOR게이트 진리표에 의하면, 출력은 High 상태가 됩니다. 로직 IC의 출력이 High 이면, 출력전압은 전원전압과 (거의) 같은 6V가 되므로 출력단자에서 10K 저항을 거쳐 트랜지스터로 베이스 전류가 흐릅니다. 베이스 전류에 의해 트랜지스터의 콜렉터 전류가 흐르므로, LED가 켜지게 됩니다.
PB1이나 PB2를 누르면 NOR게이트의 입력 A와 입력 B는 Low→High 상태로 전환됩니다. 이유는 푸시버튼을 누름으로써 입력단자가 GND 보다 전원에 더 (전기적으로) 가까와졌기 때문입니다. GND와 입력단자 사이에는 10K 저항이 놓여 있으니까요. 이 경우는 진리표에 따라 출력단자가 Low, 즉 0V가 되므로 Tr에 공급되는 베이스 전류가 흐르지 않게되고, 그 결과 콜렉터 전류도 차단됩니다. 물론 LED도 꺼지게 됩니다.
※ 회로도에 보면 입력 A단자에 1번, 입력 B단자에 2번, 출력단자에 3번으로 결정되어 있습니다. (즉 4001 4 개의 게이트 중에 좌측 상단의 것을 사용한 것입니다) 그러나 이 것은 설계자가 임의로 정한 것입니다. 4001 IC 내 다른 번호의 게이트 입/출력으로도 시험해 보십시요. 같은 결과가 나와야 합니다.
2. NOR 게이트 실험이 성공적으로 끝나면 회로도 안의 붉은 점선으로 표기된 “등가회로 대치부분”을 회로도 아래의 ①, ②, ③, ④ 4개의 등가회로로 하나씩 바꿔 넣고, (앞 페이지의) 진리표에 따라 실험해 보십시요. 이 실험은 NOR 로직 게이트를 조합하여, 다른 모든 종류의 게이트를 만들어 낼 수 있다는 것을 보여주는 것이 목적입니다.
※ ①번의 NOT 게이트만 제외하면, 모두 두 개의 입력과 하나의 출력을 가지고 있으므로 회로를 쉽게 대치할 수 있을 것입니다. (NOT 게이트는 입력이 하나이므로, 두 개 중 어느 입력을 사용해도 O.K)
AND, OR, NOT의 기본 세가지 게이트만 있으면 (메모리를 제외한) 모든 논리회로를 만들 수 있고, NOR 게이트만 조합하면 기본 게이트를 만들 수 있으므로 결국 NOR 게이트 IC만 이해하면, 게이트 회로 공부는 끝이로군!” 이라는 느낌을 가져보십시요… (NAND 게이트도 마찬가지임)
3. (NOR) 로직 게이트 조합실험이 무사히 끝나면 NOR게이트 2개를 응용한 세트/리세트 논리회로 (Set/Reset Logic Circuit)를 실험해 보겠습니다.
일반적인 게이트 회로에서 입력 부분에 스위치나 스위치 회로가 연결되는 경우가 많이 나타납니다. 소위 스위치라는 종류의 부품이 동작할 때는 기계적인 접점의 형태이거나, 전기적 변환이 이루어지는 형태이거나 결국은 전기 흐름의 끊어짐(불연속)이 발생합니다. 이 불연속 동작을 로직 회로의 입력 측에서 보면, 몇 번의 펄스가 반복해서 들어오는 것으로 보여지게 됩니다. 결국 단 한번의 스위치 동작이, 로직 회로에서는 몇 개의 (확실하지 않은 수의) 펄스 입력이 나타나는 결과로 되어 버리지요.
이래서야 곤란하기 때문에 로직 회로의 스위치가 있는 입력 부분에 슈미터 트리거 회로나 Set/Reset 로직회로를 사용해서, 미리 방지를 해 줍니다. Set/Reset 로직회로는 2개의 입력을 가지고 있는데, 하나의 입력에 몇 개의 펄스가 들어오더라도 처음의 하나만 유효한 펄스로 간주하고 (나머지는 무시하는) 회로입니다. 다른 입력에 펄스가 들어와야, 다시 (처음 입력이) 준비상태로 들어갑니다. 그래서 이름도 세트/리세트 회로입니다.
즉 “리세트” 될 때 까지는, “세트” 입력이 딱 한 번만 동작하는 거지요.
두 번째 회로를 시험해보면 PB1, PB2를 누름에 따라, 출력 LED의 점등이 깨끗하게 동작하는 것을 느낄 수 있습니다. (첫 번째 회로는 입력 푸시버튼의 (불안정) 상태가 그대로 출력 LED에 반영됩니다. 스위치를 일부러 살며시 문질러 시험해 보십시요.) 눈으로는 확인할 수 없지만, 스위치 접점의 불안정 상태은 완전히 걸러져서 딱 1회분의 입력만이 출력으로 전달된답니다.
※ 가지고 있는 테스터로 제작한 로직 회로의 입력과 출력전압을 반드시 확인하고, 마음속에 기억하여 두시기 바랍니다. (조합회로도 마찬가지 입니다.) 향후에 CMOS 로직 IC를 이용하여 회로를 만들 때 회로내에서 동작하는 로직 IC의 입/출력 상태를, 테스터 전압 측정만으로 정확하게 알아낼 수 있습니다. (단 펄스의 유무나 동작확인은 테스터로 무리입니다)
다음편에 계속 됩니다.
[4호]왕초보 전자회로 강좌특집 4부 – 1
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왕초보 전자회로 강좌특집 4부 – 1
글 |스네일앤 스네이크 ※ 상기 내용은 디바이스마트와 스네일앤 스네이크의 협의를 |
로직회로는 전자회로 공략의 베이스 캠프
▶ 회로설명 (circuit description)
대학(大學)에서 특정한 학문(學問)에 입문(入門)하면 처음 단계로 개론(槪論) 즉 총론(總論)을 배우는 데서 시작됩니다. 개론의 사전적 의미는 “내용을 대강 간추리어 논설함”으로 배우고자 하는 과목의 전체과 구성, 시작에서 현재까지의 흐름을 공간(空間)과 시간(時間)이라는 두 가지 관점에서 정리하여 일목요연하게 보여주는 역할을 맡고 있습니다.
그러므로 우리가 어떤 과목의 개론을 배우고 나면, 그 과목에 대한 (전체적인) 감을 잡을 수 있는 것입니다. 개론을 훑고 난 다음 단계는(전체적인 시각에서) 필요한 각론을 선택하고, 좀 더 상세히 배워나가는 순서로 진행됩니다. 개론을 섭렵하고 나면 새로운 과목에 대한 흥미가 솟아나거나 혹은 (내가 원하는 것이 아니라는 것을 알게 되므로) 흥미가 반감되는 것이 일반적입니다. 어쨌거나 결과적으로는 마음이 편안해지는 느낌을 받게 됩니다.
이를 역으로 생각해보면 공부하면서 어쩐지 마음이 불안하다면, 대개의 경우 자신의 현재 위치를 다시 확인해 볼 필요가 있다는 의미로 해석됩니다.
1. 취미로 전자회로를 배우거나, “필요에 의해 잠깐 회로를 이용한다”라 는 가벼운 경우에도 개론의 중요성은 그대로 살아 있습니다.
전자회로의 세계처럼 혼란스러운(?) 장소에서 (자의건 타의건 간에) 어떤 일을 하다보면 해변의 모래 사장에서 혼자 탑을 쌓고있던 어린 아이가 갑자기 주변을 둘러보는 영화 장면처럼 금방 불안해지는 (자신의)마음을 경험합니다. (영화에서) 갑자기 불쑥 튀어나온 불안은 망설임으로 이어지고 아이는 가족을 찾아 지금까지 쌓던 탑을 팽개치고 (익숙한 세계로) 달려가 버립니다. 그러나 우리의 마음도 영화 속의 아이와 마찬가지일 것입니다.
2. 우리는 지구라는 커다란 행성속에 살고 있지만, 지구의 대부분 지역은 모르고 살아갑니다.
중요한 것은 내가 지금 살고있는 도시와 마을을 자세히 아는 것입니다. 만일 새로운 지역으로 갈 필요가 생기면 그 때 가서 주위 사람에게 물어 보거나, 지도를 보면서 필요한 정보를 모으게 됩니다. 이 이야기의 요점은 우리의 (시간과 호기심등의) 한정된 자원을 필요한 부분에 집중하는 전략으로 세상에서 살고있다는 것입니다. 전자회로의 공부도 마찬가지로 커다란 전체적 개요만 이해하고 나면, 다음은 선택과 집중이 중요해지는 법입니다.
3. 인생(人生)에도 공부(工夫)에도 전략(戰略)이 필요합니다.
전자회로에 욕심이 있는 사람은 회로기술을 빨리 습득하여 이용하고 싶을 것입니다. 오늘날의 전자회로는 (단독으로 동작하기 보다) 반드시 컴퓨터나 마이컴과 연관 지어진다고 해도 과언이 아닙니다. 따라서 도도히 흘러가는 (전자회로의 대세라는) 강물의 폭과 방향을 파악하고, 본류(本流)에서 (여행을) 시작하도록 준비할 필요가 있습니다.
강(江)의 중심(中心)에 배를 띄우고, 흐름에서 벗어나지 않으려고 노력한다면 빠르고 강한 물살은 당신의 후원자가 되어, 여행이 쉽고 용이하도록 도와 줄 것입니다.
▶ 회로도 (The circuit diagram) : 전자회로 발전도(發展圖)로 분석한 회로공략(攻略) 포인트
▶ 회로동작 설명 (circuit operation)
그림_”전자회로 발전도로 분석한 회로공략 포인트 회로도”에 전자회로의 중요 기술들을 발전 시간순으로 나열하였습니다. (좌측의 “진공관 회로”는 현재 오디오 앰프에만 일부 사용) 현 시점에서 전자회로의 전체적인 블럭도를 보는 이유는 우리의 현재위치를 파악하고 분석해서, 다음에 나아갈 방향과 목표을 파악하자는 뜻입니다.
블럭도에 의하면 현재 우리의 “초보 전자회로 모음” 강좌는 “논리회로”의 초입에 위치하고 있습니다. 비록 “트랜지스터 회로” 블록에 해당하는 Tr과 FET라는 개별소자를 많이 다루지는 않았지만, “왕 초보 전자회로”와 “재미있고 유용한 555 응용회로” 로도 (논의하는 정도로는) 충분하다고 판단됩니다.
자! 그림의 블럭도에서 가운데에 위치한 “논리회로” 블럭에 주목해 봅시다. 논리회로란 TTL이나 CMOS 패밀리와 같은 Logic IC를 주축으로 하여 구성된 회로를 말합니다. 논리회로는 마이컴이 보편화 되기 전인 1970년대에 전성기를 누렸습니다. 보통 10여개에서 수십개의 트랜지스터나 FET가 하나의 칩에 집적된 Logic IC는 100가지가 넘는 서로다른 종류의 IC가 모여 하나의 패밀리를 구성합니다. 패밀리에 포함된 하나하나의 Logic IC는 마치 다른 모양을 한 벽돌과 같아, 단순히 조립하는 것만으로도 크고 멋있는 건물 즉 복잡하고 다양한 (기능의) 회로를 용이하게 만들 수 있다는 장점이 있습니다.
그러나 마이컴과 마이크로 콘트롤러가 보편화되면서 Logic IC의 용도는 (소프트웨어 파워에 밀려나서) 마이컴 주변의 인터페이스 회로에 사용되는 정도로까지 축소 되었습니다. 그렇다면 이제 논리회로는 역사의 장막 뒤로 사라져 버린 것일까요? 사실은 그렇게 단순하게만 정의할 수 없다는데 문제가 있습니다. 왜냐하면 비록 Logic IC 자체는 마이컴에 밀려 났지만, 마이컴 IC의 전기적 규격은 Logic IC에 그대로 승계되고 있기 때문입니다. 마이컴의 본질이 소프트웨어로 변화될 수 있는 Logic IC이기 때문에, 마이컴 내부의 하드웨어는 Logic IC로 설계되어 있습니다.
마치 Logic IC가 마이컴 내에 흡수되어 버린 형국입니다.
Logic IC 설계 개념을 보면 “어떻게 디지털 회로는 고속으로 안정하게 동작할 수 있는가?”라는 질문의 답을 얻을 수 있습니다. 이 개념은 너무나 중요하기에 다음 페이지에서 자세히 설명할 예정입니다.
전자회로는 Tr, FET와 같이 (전압/전류) 증폭기능이 있는 능동소자와, 능동소자를 보조하는 Diode 및 R, L, C와 같은 수동소자로 나누어집니다. 전자회로에서 능동소자의 역할과 기능이 중요하다는 점은 너무도 명백합니다. 그러나 트랜지스터(Tr)나 FET와 같은 개별(능동)소자는 너무나도 기본적인 기능만 가지고 있으므로 개별소자만으로 뭔가 의미있는 회로를 만들기에는 힘이 부칩니다. (너무 복잡해집니다)
비록 전자회로를 처음 배우는 입장에서 보면 먼저 구입한 여러 부품 중에서 필요한 부품을 구분하고, 회로도의 심볼 을 읽어내서 부품간의 연결과 결합을 파악할 필요가 있습니다. 그러나 이 초보단계는 금방 지나갑니다. 회로도를 읽어낼 수가 있게되면 다음에는 의미있는 회로를 만들고 싶어지고, 이 단계에서는 마이컴이나 Logic IC등 여러종류의 IC를 사용해야 목적을 달성할 수 있게 됩니다.
지금까지 설명한 개요와 자료를 바탕으로 이제 중요한 질문을 던질 시점이 되었습니다. 앞에서 전자회로를 공부하는 전략에 대해 언급했습니다만, 그림의 블럭도와 같이 방대하고 복잡한 전자회로의 계보를 보면서 도대체 어디서부터 어떻게 접근해야 좋은지 궁금해지지 않는다면 이상하지 않겠습니까?
그냥 취미니까 되는데로 공부해봐요? 그러다 아님 말고요???
→ 말도 안됩니다. 반드시 우선순위를 따져서 체계적으로 접근해야 합니다. 물론 정답은 없습니다. 논리와 취향이 있을 뿐이지요.
만일 정해야 한다면 이제 당신은 분명히 선택의 기로에 서 있는 것입니다. (전부 한번씩 해 보겠다는 생각에는 절대 찬성할 수 없습니다. 하나 하기도 벅찹니다. 하나를 신중히 골라서 꾸준히 노력해야 합니다)
전략 1. 기초부터 찬찬히 : 트랜지스터를 기본으로 한 회로부터,
착실히 (위로위로) 배워 나간다.
전략 2. 마이컴 회로 + 임베디드 소프트웨어에 중점을 둔다.
전략 3. Logic IC와 Tr을 포함한 Interface 회로에 중점을 둔다.
마이컴은 복잡한 Logic IC 정도로 보고, 통신회로를 추가해서
PC와 연결하는 방법을 모색한다.
PC의 막강한 프로그래밍 환경에 투자한다.
전략 4. (National Instruments사 같은) PC (상용) Interface 카드를 사용한다.
전략 5. 전자회로는 포기한다. 그 대신 순수 소프트웨어에서 승부를..
▶ 선택한 전략의 해설
전략 1 해설 : 철저한 것은 좋으나 너무 발이 늦다. 대학교 방식이다. 권하기 힘듦.
전략 2 해설 : (직업적인) 전문가 방식이다. 세상은 “서버 + 클라이언트 + 네트워크” 방식을 기반으로 진화하고 있다. (전공이 아니라면) 스스로 고립되고, 시야가 좁아지는 방식을 채택할 필요는 없지 않을까? 실제로는 많은 사람들이 (자기도 모르게) 채택하는 방법이다.
왜냐하면 대학에서 강의하고 교재도 많기 때문에 원리적으로는 모든 것을 할 수 있다. 그러나 고생에 비해, 막상 (독립적으로) 해 볼 수 있는 일은 너무나 적어 실망하기 일쑤이다. 가장 큰 문제점은 PC 환경에서 멀어지는 것이다.
전략 3 해설 : : 약간 생소하고, 일견 산만해 보이지만, 실은 가장 활용도가 넓은 방법이다. ① 우선 강력한 PC 환경을 이용하므로, 빠른 시간내에 결과를 얻어내서 분석하고, 다시 개선시키기 용이하다.
② 디지털 환경의 핵심인 로직과 인터페이스 회로를 깊이 공부할 수 있어 활용범위가 넓다.
③ 지대한 노력이 필요한 마이컴을 비교적 쉽게 이해할 수 있다. (마이컴은 로직회로를 기본으로 소프트웨어 동작하기 때문 )
④ 네트워크의 기본인 통신기술을 중시하고 있다. (통신기술이 바로 미래기술의 핵(核)임을 명심해야 한다.) 무엇보다도 (기술 전반에 대한) 전체적인 시야를 확보할 수 있다는 점이 가장 큰 매력이다.
전략 4 해설 : PC를 중심에 놓는다는 점에서 전략 3과 같다. (고급 과제를 수행하는) 대학과 연구소에서 채택하는 방법이다.
단점은 돈이 많이 든다. 메뉴얼을 소화하는 것도 만만치 않다. 왜냐하면 전자회로와 디지털 하드웨어의 기본이 반드시 필요하기 때문이다. 사실은 대학에서 전자를 전공한 사람들이 취업해서 주로 당면하는 과제이다.
전략 5 해설 : 소극적이고, 어설픈 것 같지만 실제로 많은 사람들이 선택한 방법이다. 데이터베이스 프로그래밍, 서버 프로그래밍, 게임 프로그래밍을 생각해보라. 실제로 대학의 전산과 사람들이 많다.
결론적으로 필자는 (개인적으로) “전략 3″을 선호합니다.
즉 Logic 회로와 Tr의 기초적 동작 및 유용한 인터페이스 회로를 먼저 착실히 공부해 두는 것입니다. 이런 이유로 “초보 전자회로 모음” 강의도 두번째 테마로 “기초 로직회로”를 설명하고, 다음으로 “디지털 인터페이스 회로”를 선택하였습니다.
이 단계에서는 Tr의 기초동작과 Logic IC, Tr, 포토 커플러를 포함한
실제 인터페이스 회로를 설명할 예정입니다.
이러한 준비작업들이 끝나면 데이터 로거(Data Logger)를 사용한 인터페이스를 실험해 볼 단계에 도달합니다. 데이터 로거는 PC와 (RS232C)통신으로 연결된 마이컴으로 사용하기 간편하면서도 재미있는 기능을 보여 줄 것입니다. 이 단계까지 오면 회로도 판독에서 PC를 이용한 실험장치 준비까지의 모든 과정이 마무리됩니다.
이제 비로소 실제 흥미있는 과제를 해결하는 응용 단계로 들어갈 수 있습니다. 드디어 메인 소프트웨어인 PC 프로그래밍과 센서(sensor)의 사용법이 중요해지는 단계가 됩니다.
▶ 프로그램에 익숙한 분들을 위하여
Logic IC와 마이컴의 관계를 Visual C++, Visual basic과 Turbo C, qbasic에 비유하여 말씀드리겠습니다. 아시다시피 윈도환경의 Visual C++, Visual basic을 공부하다 보면 막상 basic과 C, C++ 언어에 대한 언급은 거의 없다는 것을 깨닫게 됩니다. 이런 형편이므로 초심자가 비쥬얼 책만을 아무리 달달 공부한다 해도 나중에 남는 것은 별로 없습니다. (자신도 붙지 않구요.) 경험있는 선배라면 먼저 컴퓨터 언어(Language)를 공부하라고 진심으로 조언할 것입니다.
마이컴도 마찬가지입니다. 근본이 되는 Logic과 Tr 동작을 모르고 덤벼들면 수 많은 마이컴 명령어나 외우다가 끝이 납니다.
인터페이스 회로도 같습니다. 실험실에서 비싼 PC용 인터페이스 보드가 손에 들어와도 활용하기 망설여지기는 마찬가지입니다. 공부를 해도, 메뉴얼에 따라온 “회로도”도 이해하기 힘든 수준이 이어집니다. 그러니 인터페이스 보드에 센서나 외부장비를 연결하기가 겁나는 것도 당연합니다.
즉 “프로그래밍이라면 어떻게 해 보겠는데, 하드웨어는 아무리 설명을 들어도 통 모르겠어” 라고 말하게 되고 맙니다. 이유는 간단합니다.
한 단계 아래에 깔려있는 기술 이해가 부족하기 때문입니다.
로직회로의 핵심, 마법의 갈고리
▶ 회로설명 (circuit description)
크고 웅장한 건축물은 언제나 우리의 시선을 끌고, 마음을 감동시킵니다. 그 중에서도 10~14세기 중세에 세워진 사원이나 교회, 왕궁처럼 돌로 쌓아올린 거대한 구조물들은 “경이”라는 감정을 넘어선, 엄숙함과 섬뜩함까지 느끼게 하는 존재입니다.
역사와 인간에 대한 교육의 혜택으로, “왜 저렇게 큰 구조물을 만들 필요가 있었는가?” 라는 질문에 대한 해답은 어렴풋이 짐작할 수 있지만 ” 어떻게 저렇게 수 많은 돌들이 현재까지 자기위치를 고수하고 있는지” 그저 감탄할 따름입니다.
고등학교 물리시간에서, 빗면 위에서 나타나는 힘의 분산에 대한 응용 예로 “쐐기” 모양에 대해 기억하시는지요?
중세의 거대 건축물의 회랑과 창문, 거대한 둥근 형태의 천장을 지탱하는 비밀이 평범한 쐐기모양 돌의 형태에서 비롯된다는 점을 알고 계시는지요? 마찬가지로 교묘한 응용 사례들의 뒤편에서 미소짓고 있는, 한 두가지 핵심원리의 존재와 위력을 잠시라도 (가슴 깊이) 공감해 보신 적이 있으신지요.
▶ 회로도 (The circuit diagram) : 로직회로의 핵심, 마법의 갈고리 (Magic Hook)
▶ 회로동작 설명 (circuit operation)
회로도_”로직회로의 핵심, 마법의 갈고리”그림 속에 나타난 중세 건축물의 장엄한 자태를 보면, 거대한 곡선을 이루는 아치(Arch), 둥근 돔(Dom), 아치가 교차하고 있는 볼트(Vault)의 역할이 절대적입니다.
오늘날 건축물 뼈대의 소재로 견고하고 단단한 철을 사용하고 있는 것에 반해서, 중세에는 무거운 소재인 돌을 사용하였으므로 (건물내의) 공간을 확보하기가 그 만큼 어려웠을 것으로 짐작됩니다.
생각해 보십시요. 겉보기에 거대하지만, 아파트 지하주차장 같이 빽빽한 기둥숲이 건물내부에 자리잡고 있다면 후원자나 방문자에게 큰 감명을 주기는 어려울 것입니다. (외관의 크기만이 중요하다면, 차라리 동산을 쌓고, 속을 파서 사용하면 쉬울 것입니다) 그렇다면 당면한 문제는 (건물 속에) 가능한한 넓은 공간을 확보하는 것입니다. 그리고 공간을 확보하자면 결국 기둥과 기둥 사이가 멀리 떨어져야 합니다. 문제는 어떤 방법으로 이 사이가 먼 기둥위에 지붕을 얹는단 말입니까? 그것도 돌을 사용해서…
답은 아래 그림에 있는 아치형태 입니다. ①과 같이 떨어져 있는 두 지점 사이를 직선으로 연결하면, 중력에 의해 소재가 아래로 힘을 받습니다.
그 결과 소재가 나무라면 휘어져 버릴 것이고, 단단한 돌이라면 부러져 버리게 됩니다. (악어는 행복) 그러나 ②처럼 (작은 쐬기모양의 조각돌을 서로 잇대어) 아치를 만든다면, 중력이 좌우로 분산되어 (스스로 지탱되는) 튼튼한 구조물을 만들 수 있습니다. (악어는 불행) ③의 그림에 빗면에 의한 힘의 분산이 화살표로 표시되어 있습니다.
인류가 아치(Arch) 형태를 이해하고 자유자재로 활용함에 따라, 비로소 돌을 사용하고도 텅 빈 공간을 가진 거대한 건축물의 축조가 가능해 졌습니다. 아치 형태의 이해는, 지식의 중요성을 웅변적으로 보여줄 뿐 아니라 사람을 매혹시키는 위대한 기술의 토대는, (마법과도 같이) 단순하고 명확한 기본원리로 구축되어 있음을 알려주는 생생한 사례입니다.
※ 아치(Arch) 형태를 회전하면 돔(Dom) 모양이 되고, 몇 방향에서 교차시키면 볼트(Vault) 구조가 됩니다. 즉 아치(Arch) 형태가 기본입니다.
그렇다면 논리회로에서 건축의 아치(Arch)에 해당하는 철학이란 무엇일까요? 아니 논리회로에서도 과연 이와 같이 위대한 기술이 필요하기나 한 것일까요? 답하기가 쉽지 않습니다.
자! 그렇다면 먼저 논리회로란 무엇인지 생각해 봅시다.
논리회로는 인간이란 동물이 만들어 낸 희안하고도 또 희안한 물건으로한 마디로 요약하면, 전기로 작동되는 일종의 기계입니다. 그러나 이 특이한 기계는, 마법의 기계로 한 치의 오차도 없고, 끝도 없이 동작하는 전자식 메커니즘을 갖고 있습니다.
이제 당신이 우연히 여러 종류의 작은 기계 뭉치를 손에 넣었다고 가정합시다. 손에 넣은 기계장치가 고장의 염려없이, 나름대로의 기능을 가지고 있다는 것을 알게 된다면 당신은 이 기계들을 어떻게 이용하리라고 생각하십니까? 아마 누구라도 시간이 있다면 먼저 하나씩 하나씩 동작시켜 보고나서, 다음에 이것 저것들을 서로 연결해 동작시켜 볼 가능성이 큽니다. 점점 이러한 연결을 확대해서 결국에는 더 크고, 더 복잡하고, 더 다양한 기능을 가진 기계장치를 만들고 싶어하게 될 것입니다.
그렇습니다. 그러한 대표적인 결과가 마이크로 프로세서입니다.
그러나 최초의 컴퓨터라 할 수 있는 베비지(Chales Babbage, 영국, 수학자/발명가)의 기계식 컴퓨터가 결국 실패했듯이 마법에 걸린 기계장치와 현실세계의 기계 사이에는 분명 차이가 존재합니다. 아시다시피 현실에서는 무척이나 작으면서, 고장없이 동작하는 기계장치가 절대로 존재할 수 없기 때문입니다. (마찰과 마모가 주 원인입니다.)
그러나 트랜지스터나, FET를 사용하면 독립되고, 믿을 수 있으며, 작은 기계처럼 동작하는 회로를 만들 수 있습니다.
바로 논리회로(Logic circuit) 입니다. 그렇다면 이제 드디어 모든 문제가 해결된 것처럼 보이는군요. 바야흐로 마음껏 연결해서, 원하는 대로 쌓아올려 가면 되지 않을까요? 아닙니다. 아직 안됩니다. 아직도 문제가 남아 있습니다. 그것도 심각한 문제가…
하나 하나의 작은회로의 동작을 신뢰할 수 있는 것과 이 회로들을 (수 없이) 연결한 커다란 전체회로가 문제없이 동작하는 것은 분명히 다릅니다. 돌로 작은 집을 지을 수 있다는 사실이, 돌로 큰 궁전까지 건축할 수 있다는 것을 보증하는 것은 아닙니다.
문제는 규모입니다. 건축의 규모가 커지면 중력이 큰 문제로 떠오릅니다. 전자회로에도 마찬가지 문제가 있습니다. 건축에서 중력에 해당하는 문제가, 회로에서는 노이즈(noise)에 해당합니다. 전기/전자에서 노이즈(noise)란 원하지 않는 (전기적) 간섭을 의미합니다. 이 원치않는 간섭은, 전자파의 형태로 (공중을 날아서) 침입해 들어옵니다. 100% 피하는 방법이란 없습니다. 중력을 피할 수 없듯이 전자파도 피할 수 없습니다.
전자파의 원인은 앞이나 옆, 뒤 혹은 위나 아래에서 신나게 동작하고 있는 다른 (회로) 친구들의 활동입니다. 회로의 동작에서 전자파가 발생되기 때문입니다.
이제 거의 결론에 도달했습니다.
인류가 커다란 건축물을 세우기 위해, 먼저 아치공법이 발명되어야 했듯이 수 많은 논리회로를 (마음대로) 연결해서 큰 회로를 만들기 위해서는, 또 하나의 위대한 기본원리가 먼저 발명되어야 했습니다. 자유로운 연결을 위한 기술의 핵심은 오늘날 모든 논리회로 IC와 마이컴 IC속에 살아 숨쉬고 있습니다. (출력과 입력신호를 단단히 맺어주어, 외부의 전자파 간섭을 뿌리칠 수 있는) 기술의 핵은 입력 단자를 Low 상태로 만들기 위해, 입력단자에서 외부 회로로 흘러나가는 전류가 필요하다는, “입력 싱크전류”의 존재를 정의한 것입니다. (흘러나가는 전류가 없으면, 입력의 상태는 High)
※ TTL 로직 IC에서 설명한 “입력 싱크전류”의 의미는 그림을 참조하세요. 청색 화살표로 표시된 전류가 “입력 싱크전류”입니다. “입력 싱크전류”는 반드시 앞 단의 출력회로 동작과 연계되어야 존재할 수 있습니다.
(“입력 싱크전류”는 Tr2가 ON 되어야 발생합니다. 이 전류로 Tr3이 동작하고, 그 결과 Tr4가 OFF 상태로 됩니다.) 적색 화살표는 “입력 싱크전류”가 없을 때 흐르는 전류를 나타냅니다. (이 전류로 Tr4가 ON 상태로 됩니다)
그림의 우측하단에 TTL과 CMOS IC의 기본회로를 보였습니다.
각 IC에서 사용하고 있는 소자를 보면, 트랜지스터와 FET로 나뉘어 있다는 것을 확인할 수 있습니다.
곰곰히 생각해보면 입력이란 “무엇인가를 받아들인다”라는 의미를 내포하고 있습니다. 그런데 반대로 전류를 내보내야 Low 상태가 성립된다는 조건은 뜻밖의 시각, 패러다임의 전환을 요구합니다.
만일 입력단자가 수동적으로 전압을 받아들이기만 한다면, 외부의 상태가 필요한 신호인지? 노이즈인지? 구별할 재주가 없습니다. (노이즈는 전압을 더해주기는 해도, 전류까지 빼내 갈 능력까지는 없습니다. 전류의 이동에는 큰 에너지가 필요하기 때문입니다. 대부분의 경우 노이즈는 본 신호에 비해 가지고 있는 에너지가 작습니다) 한발 더 나아가 능동적으로 촉수(전류)를 내 보내 확인함으로써 외부의 적과 아군을 판단할 수 있는 것입니다. 이 혁신적인 아이디어야 말로, 입_출력 신호를 단단히 연결해 주는 “마법의 갈고리”를 구성하는 핵심요소입니다.
신무기 “마법의 갈고리” 즉 “입력 싱크전류”의 개념을 장착함에 따라 우리는 마음껏 논리회로를 구사할 수 있게 되었습니다. 논리회로 IC의 연결만 주의한다면 논리회로는 (우리의) 생각대로 정확히 동작하고, 명확한 결과를 보여줍니다. 그 증거가 컴퓨터, 핸드폰, MP3, 유비쿼터스 등등으로 대표되는 오늘날의 디지털 세계입니다.
이제 디지털 세계의 일부인 논리 IC가, 당신의 손 위에 놓여 있습니다.
※ 이와같이 논리회로에는 논리회로 특유의 장/단점이 나타납니다.
예를들면 “마법의 갈고리”인 “입력 싱크전류” 방식에는 전류소비가 늘어나고, 발열이 커진다는 단점이 있습니다. 역시 “마법은 아니였구나”라는 생각에 안심이 됩니다. (마법이 좋을 것 같지만 역시 공평한 자연의 법칙이 더 미덥습니다. )
다음편에서 계속 됩니다.