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디지털 IC
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디지털 IC TTL과 CMOS
디지탈 IC의 큰 분에는 TTL(Transistor Transistor Losic)과 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)가 있습니다.
이외에도 고집적도를 얻기 위하여 메모리나 마이컴 관련 IC에 사용되는 N채널 MOS를 시초로 한 초고속 응답용과 컴퓨터나 카운터에 사용되고 있는 ECL(Emitter Coupled Losic) 등 여러가지가 있으나 특수한 용도나 목적에 사용되고 일반적인 디지털 로직은 TTL이나 CMOS 로직으로 한정됩니다.
TTL은 1964년 미국의 TI(Texas Instruments)사에 의해서 발표된 이래, 우수한 성능과 적정한 가격, 500종류 이상이나 되는 풍부한 품종, 다수의 메이커가 생산함으로서 쉽게 구입할 수 있고, 시대에 따른 고속성, 에너지 지향의 개량형의 개발 등에 의해서 오늘날에도 디지탈 제어용의 IC의 주류를 이루고 있숩니다.
이에 대해서 CMOS 로직은 1996년에 미국의 RCA사와 모토로라사에 의해 발표된 것으로서 저소비 전력과 사용전압 범위가 넓어 급속도로 발전하였고 요즘에는 고 집적도의 LSI화와 TTL에 뒤떨어지지 않는 고속 응답형의 개발 등에 의해서 TTL을 능가하는 보급률을 보이고 있습니다.
TTL은 NPN형 트랜지스터를 중김으로 만들어졌고, CMOS는 FET(전계효과 트랜지스터)를 사용하여 만들어졌습니다.
이 두가지 로직의 특징을 간단히 비교하면 다음과 같습니다.항목
TTL
CMOS
전원전압
4.75 ~ 5.25V 종래형 : 3 ~ 18V
고속형 : 2 ~ 6VThreshold Level
1.2 ~ 1.4V 전원전압의 약 1/2 입출력간 전달지연시간 LS형 -- 10ns
AS, AL형 -- 3 ~ 3.5ns종래형 : 100ns
고속형 : 8ns최고 응답 주파수 LS형 -- 45MHz
ALS형 -- 100MHz종래형 : 2MHz
고속형 : 45MHz소비전류 LS형 -- 3.2mA(H레벨출력) 1.6mA(50%듀티) 0.0005 ~ 0.0003 micro A 품종 매우 풍부(500종 이상) 실용상 충분한 품종 사용온도 범위 섭씨 0 ~ 70도 섭씨 - 40 ~ 85도 장점 전달 지연 시간이 짧다 구조가 간단하여 집적화가 쉽다 단점 노이즈 마진이 작다
선로 임피던스에 영향받기 쉽다
소비전력이 크다정전 파괴가 쉽다
고온에 약하다TTL의 종류 TTL은 바이폴라형 트랜지스터를 스위칭 소자로 사용한 디지탈 제어용 IC의 일종으로, 특히 고속 응답성과 사용이 간편한게 특징입니다. 오랜 세월의 경험을 토대로 여러가지 용도에 맞는 품종이 만들어지고 있지만 대개의 차이점이나 특색을 알아놓지 않으면 제어회로의 본질을 이해할 수 없으므로 대표적 품종 몇가지에 대하여 알아보도록 하겠습니다.
TTL은 오늘날 세계의 많은 메이커에 의해서 생산되고 있지만 그 대부분이 TI사의 세컨드 소스라고 볼 수 있습니다. 그러므로 특성은 물론이고 형명이나 파트넘버에 대해서도 TI사의 기준에 준하고 있어 TTL에 대해서 연구할 때는 TI사의 자료를 참고하는 것이 가장 적당하다고 할 수 있습니다.
TI사의 TTL에는 2개의 계열과 7개의 시리즈가 있습니다. 2개의 패밀리란 표 2에 나타낸 바와 같이 54시리즈와 74시리즈가 있습니다. 54시리즈는 74시리즈에 비하여 성능이나 온도 특성 등이 우수한 것으로 군용으로 사용되고 있으며 일반적으로는 거의 사용되지 않습니다. 일반적으로 대부분 74시리즈라고 할 수 있습니다.
계열
사용온도 범위
전원전압
패키지
54계열
- 55 ~ 125
5V (+/-) 10%
J형,W형,T형
74계열
0 ~ 70
5V (+/-) 5%
J형,N형
J:세라믹 DIP, N:플라스틱 DIP, W:세라믹 플랜트 패키지, T:메탈 플랜트 패키지
이들의 가장 큰 차이점은 위의 표에서도 알 수 있듯이 사용온도 범위입니다.
패키지는 54계열에서는 내습성이 우수한 세라믹 패키지나 메탈 패키지가 표준으로 되어 있지만 74계열에서는 패키징이 용이하고 가격이 저렴한 플라스틱 DIP(Dual Inline Pakage) 패키지가 주류를 이루고 있습니다.
74패밀리에도 해상기기나 옥외결로의 염려가 되고 있는 기기에 세라믹 패키지가 채용되는 경우도 있지만 최근 플라스틱의 질적향상은 눈부시게 발전하여 가까운 장래에 세라믹은 자취를 감추게 될 것입니다. 패키지의 형상면에서는 DIP타입이 가장 일반적입니다. 소규모 IC는 14핀, 중규모 IC에서는 16핀, 거기에 마이크로 컨트롤러 등의 IC는 20핀~40핀이 많이 사용됩니다. 핀의 간격은 각 메이커에서 통일되어 있지만 패키지 외형치수는 재질이나 메이커가 달라 약간 다르기도 합니다.
시리즈
게이트
플립플롭
속도*전력곱
전달지연 시간
소비전력
클럭입력 주파수
Standard TTL 54/74 100pJ
10ns
10mW
0 ~ 35MHz
High Speed TTL 54/74H 132pJ
6ns
22mW
0 ~ 50MHz
Low Power TTL 54L 33pJ
33ns
1mW
0 ~ 3MHz
Schottky TTL 54/74S 57pJ
3ns
19mW
0 ~ 125MHz
Low-Power Schottky TTL 54/74LS 19pJ
95ns
2mW
0 ~ 45MHz
Advanced Schottky TTL 54/74AS 33pJ
15ns
22mW
0 ~ 200MHz
Advanced Low-Power Schottky TTL 54/74ALS 4pJ
4ns
1mW
0 ~ 100MHz
TTL에는 위의 표와 같이 7개의 시리즈가 있으며 주로 전기적 특성에 의해서 구분됩니다. 당초에는 스탠다드형과 고속응답의 H형, 저소비전력의 L형의 3종류가 만들어 졌지만 그 후 트랜지스터의 베이스-콜렉터간에 순전압강하의 낮은 쇼트키 장벽 다이오드를 조합시켜 고속 스위칭을 실현한 S형과 저소비전력형의 LS형의 2종류가 추가되었습니다.
그러나 최근에는 CMOS 로직도 고속화가 되어 TTL의 장점이 약화되었습니다. 이에 따라 고속, 저소비전력으로 강화된 ALS형과 AS형이 동시에 발표되었습니다. 그러나 품종이 적기 때문에 그다지 사용되고 있지는 않습니다.
위의 표에 나온 패밀리 외에도 74시리즈는 원래 TTL만 있었지만 그 후 CMOS형의 HC패밀리가 개발되었습니다. 이것은 CMOS의 단점인 동작속도를 TTL이상의 수준으로 고속화한 것입니다. 또한 HC패밀리는 지금까지의 TTL과 같은 핀 배치를 사용하고 있기때문에 교환성이 매우 우수하여 근래에는 기존의 TTL을 대체하고 있습니다. -
디지털 IC의 취급방법 1. IC취급시의 일반적인 주의사항 최대 정격을 넘는 전압이나 전류에서는 사용하지 않는다.
또한 IC는 역전압에 매우 약하기 때문에 전원전압의 극성에 주의해야 합니다.2. 납땜시에는 최대한 단시간에 끝낸다.
IC의 열에 대한 최대 한계는 보통 260도에서 약 10초간입니다. 이 범위를 넘게 되면 IC가 손상을 입을 수 있습니다.3. 고온 다습한 장소에서 사용하거나 보관하는 것은 피한다.
고온 다습한 장소에 두면 IC의 패키지를 통해 수분이 내부까지 침입하는 경우도 있습니다.4. 기계적인 충격을 주지 않는다.
최근의 IC는 기계적 진동에 대한 상당한 내성이 있지만 과도한 충격을 주면 당연히 손상을 입게 됩니다.5. 핀 번호에 유의한다.
배선시에는 핀 번호가 정확한지 충분히 확인해야 합니다.6. CMOS에서는 정전기로 인한 입력 단자의 파괴에 주의한다.
CMOS의 입력단자는 약간이기는 하지만 정전용량을 가지고 있습니다. 정전기의 축적에 의한 고전압으로 입력단자가 망가지지 않도록 주의해야 합니다. 최근의 CMOS에는 정전에 대한 보호회로를 갖춘 것도 있지만 보호범위에 한계가 있어 너무 안심하지 않아야 합니다.7. 원칙적으로는 출력핀끼리 접속하지 않는다.
오픈 콜렉터나 오픈 드레인 형태의 출력핀이 아니라면 원칙적으로 출력핀끼리 접속해서는 안됩니다.로직 IC를 사용한 회로 설계시의 유의점 TTL의 팬 아웃
TTL의 출력핀을 다른 입력핀에 접속한 경우 출력핀이 'L'일 때는 입력핀에서 출력핀으로 전류가 흘러 들어갑니다. 입력핀에서 흘러 나가는 전류를 토출전류, 출력핀으로 흘러 들어가는 전류를 흡입전류라고 합니다.
출력핀이 신호 'H'일 경우는 출력핀에서 입력핀으로 전류가 흘러 들어갑니다.
74LS 시리즈의 경우 입력핀의 토출전류는 최대 0.4mA, 흡입전류는 최대 20uA이며 출력핀의 토출전류는 최대 400uA, 흡입전류는 최대 8mA입니다.
입력핀 1개당 0.4mA를 토출한다고 가정하명 8mA / 0.4mA = 20개의 출력핀이 신호 'L'일때 접속할 수 있는 최대 입력핀 수가 됩니다. 그러므로 출력핀에 접속하는 입력핀의 수를 무제한으로 증가시킬 수는 없습니다.
이 최대 입력핀의 수를 팬 아웃(Fan-Out)이라고 합니다.
CMOS의 팬 아웃
CMOS의 입력저항은 매우 높기 때문에 전류가 거의 흐르지 않습니다. 그렇기 때문에 팬아웃이 매우 클 것으로 보입니다.
그러나 CMOS의 입력핀에는 정전용량이 있습니다. 입력신호가 L에서 H로, H에서 L로 변할때 이 정전용량에 의한 충방전 전류가 흐르게 됩니다. 이 때문에 CMOS의 경우 약 50개 내외의 팬 아웃을 가지고 있습니다.
사용하지 않는 핀의 취급
사용하지 않는 게이트의 핀은 실제적으로 개방시켜놓아도 큰 문제는 없습니다.
그러나 개방상태의 입력핀은 TTL에서는 'H', CMOS에서는 불안정한 상태에 있게 되므로 트러블의 원인을 제공할 수도 있습니다. 그러므로 사용하지 않는 핀은 'H'나 'L'의 적당한 곳에 연결해 두어야 합니다.
전원의 바이패스
디지털 IC에서는 다루는 신호가 'H'에서 'L'로 혹은 'L'에서 'H'로 바뀌는 순간에 일시적으로 스위칭 전류라는 큰 전류가 흐르게 됩니다. IC와 전원장치간에는 어느 정도의 거리가 있습니다. 즉 아무리 전류가 흐르는 속도가 빠르더라도 전원장치에서 IC까지 스위칭 전류를 공급하는데는 시간이 필요합니다.
만약 전류를 공급하는 것이 늦어지면 IC는 오동작을 하게 됩니다. 이런 경우 IC근처에 캐패시터를 접속해 두면 거기로부터 필요한 스위칭 전류를 얻을 수 있습니다. 이와 같은 용도로 사용되는 캐패시터를 바이패스 캐패시터라고 합니다. 바이패스에는 보통 0.01~0.1uF 정도의 세라믹 캐패시터를 주로 사용합니다. -
디지털 IC의 데이터시트 보는 법 핀 배치 IC를 사용하는 데 있어서 없어서는 안되는 것은 핀 배치에 관한 것입니다. 그러므로 배선하기 전에 반드시 핀 배치를 확인해야 합니다. 최대 정격 (Absolute maximum ratings) IC를 사용함에 있어 반드시 지켜야 하는 규격이 최대 정격입니다. 순간적이라도 이 최대정격을 넘는 조건에서 IC를 사용하면 IC가 손상되거나 성능이 크게 떨어지게 됩니다. TTL(74LS 시리즈)의 예 전원전압 VCC 7V 입력전압 Vin 5.5V 3스테이트형이 OFF일경우 출력핀의 허용전압
Off-State Output Voltage15V 보존온도 -65 ~ +150도 CMOS(4000시리즈)의 예 전원전압 VDD -0.5 ~ +20V 입력전압 Vin -0.5 ~ VDD + 0.5V 입력 전류 Iin +-10mA 보존온도 -65 ~ +150도 권장 동작 조건 (Recommended operating conditions) IC를 안정적으로 동작시키기 위해서는 권장 동작 조건의 범위내에서 사용해야 합니다. 권장 동작 조건의 예 TTL(74LS시리즈) CMOS(4000시리즈) 전원 전압 4.75 ~ 5.25V 3 ~ 18V 동작 온도 0 ~ 70도 -40 ~ 85도 CMOS의 경우 권장 동작 전원전압의 범위는 시리즈에 따라 크게 다르기 때문에 주의해야 합니다. 시리즈 권장 전원전압 4000 3 ~ 18V 4000H 2 ~ 8V 74HC 2 ~ 6V 74HCT 4.5 ~ 5.5V 74AC 2 ~ 5.5V 전기적 특성 데이터시트에는 논리레벨, 흡입전류, 토출전류, 소비전력, 전달 지연 시간등 IC의 전기적 특성이 기록되어 있습니다. VIH - 입력이 'H'일때의 전압
VIL - 입력이 'L'일때의 전압
IOH - 출력핀이 'H'일때의 토출전류
IOL - 출력핀이 'L'일때의 흡입전류
PW - 소비 전력
tPD - 전달 지연시간스위칭 특성 게이트에서는 입력신호가 들어온 후 출력신호가 나오기까지 약간의 시간이 걸립니다. 그 시간을 전달 지연시간이라고 부릅니다. 그리고 전달 지연 시간에 관한 전기적 특성을 스위칭 특성이라고 부릅니다. 예를 들어 펄스 하나를 게이트 IC에 입력하는 경우 
그림과 같이 펄스는 실제로는 타이밍 차트상에서 완전한 사격형이 아닌 사다리꼴의 모양이 됩니다. 이것은 신호가 스위칭될때 약간의 시간이 걸리기 때문입니다. 완전한 신호 'H'일때의 전압을 기준으로 10%에서 90%로 올리기까지 필요한 시간을 상승시간(tTLH 또는 trc)라 합니다. 반대로 90%에서 10%로 내리기까지 필요한 시간을 하강시간(tTHL 또는 tfc)라고 합니다. 정논리와 부논리, 엣지 
위 그림의 IC는 74LS138라는 TTL IC입니다. G2A와 G2B단자에 ○표시가 있습니다.
이는 해당 핀이 부논리에서 동작한다는 것을 의미합니다. 즉 해당핀이 'L'이 되어야 Enable됨을 의미합니다.
마찬가지로 출력핀에도 ○표시가 있는데 이는 해당 핀이 부논리로 작동함을 의미합니다.
위의 IC는 74LS74라는 IC입니다. CLOCK1,2핀에 삼각형모양의 표시가 있습니다. 이것은 펄스에 의한 동작을 의미하는 데 신호변화에 따라 다음과 같은 종류가 있습니다. 
즉 74LS74의 경우 상승엣지이므로 해당 핀이 L에서 H로 변하는 순간 작동하게 됩니다. -
대표적인 로직 IC 명 칭
기능 설명
비 고
74HC00 Quad 2-Input NAND Gate 2입력의 NAND 게이트가 4개 들어있다. 74HC04 Hex Inverters 인버터 회로가 6개 들어있다. 74HC08 Quad 2-Input AND Gate 2입력 AND게이트가 4개 들어있다. 74HC14 Hex Schmitt-trigger Inverters 슈미트 트리거 인버터가 6개 들어있다. 74HC32 Quad 2-Input OR Gate 2입력 OR게이트가 4개 들어있다. 74LS42 BCD to DECIMAL Decoder 입력한 BCD코드에 의해 선택된 출력이 L로 된다. 7445 O.C.BDC to DECIMAL Decoder/Driver 7442의 open collector buffer 타입. 출력단자의 최대 유입전류는 80mA 74LS47 BCD to Segment Decoder/Driver 7세그먼트 LED의 드라이버 open collector 타입 74HC73 Dual JK-FFs With Clear JK 플립플롭을 2개 내장 74HC86 Quad 2-Input Exclusive OR Gate 2입력의 Exclusive OR게이트가 6개 들어있다. 74LS90 Decade Counter 비동기 2진+5진 카운터 비동기 프리셋 9 비동기 클리어 74HC93 4-Bit Binary Counter 비동기 2진+8진 카운터 74HC123 Dual Retriggaerable Single Shot 입력의 상승시점에서 Cext, Rext에 접속하는 C, R의 값에 따라 출력을 지속하는 single shot register 74HC125 Quad 3-State Noninverting Buffers 6개의 3-스테이트 버퍼가 들어있다. 74HC138 1-of-8 Decoder / demultiplexer 3개의 입력신호로 8개의 출력중 한개를 선택한다. 74HC244 Octal 3-state noninverting buffer / Line Driver 8비트의 3-state 버퍼 74HC245 Octal 3-state noninverting bus tranciever 8비트의 양방향 3-state 버퍼 74LS290 Decade Counter 7490의 핀 레이아웃을 바꾼 타입 74HC390 Dual Decade Counters 7490을 2개로내장한 타입이다. 단, 프리셋 9는 생략되어 있다. 74HC573 Octal 3-state noninverting transparent latch 8비트의 3-state 래치. 부논리에 의해 래치된다. 74HC574 Octal 3-state noninverting D Flip-flop 8비트의 3-state D 플립 플롭으로 상승 엣지에 래치된다. 74HC595 8-Bit Serial in / pararell out shift register 8비트의 래치를 가지는 시프트 레지스
