NOT, AND, OR, XOR 게이트 실전편 - 74HC04, 74HC08, 74HC32, 74HC86

개념편: https://x0fansa-hk.tistory.com/31

8bit CPU 사전준비) NOT, AND, OR, XOR 게이트 이론편

 

이제부터는 실제로 이 논리게이트들이 어떻게 동작을 하는지 회로실험을 통하여 알아보겠습니다.

 

기본적으로 매우 자주쓰는 논리게이트이기에 쉽고 싸게 살 수 있습니다. 대표적으로 제가 오늘 사용할 IC는 아래 4개 입니다.

74HC04 - NOT게이트가 6개 있는 CMOS IC

74HC08 - AND게이트가 4개있는 CMOS IC

74HC32 - OR게이트가 4개있는 CMOS IC

74HC86 - XOR게이트가 4개있는 CMOS IC

(이것들은 고전적인 74시리즈의 업그레이드 버전으로, 기능으로는 74시리즈의 원형과는 같지만 CMOS기반으로 제작되었습니다. 이름 중간에 HC가 들어가는 게 그 뜻이지요. 예를들면 74HC04의 맨 처음 TTL 버전은 7404였습니다.)

 

NOT게이트부터 시작해봅시다.

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NOT : 74HC04

일단 여기서 데이터시트를 받으세요. ("데이터시트는 답을 알고있다." - 명지대학교 전자공학과 김X민 교수님의 어록에서 발췌)

https://www.alldatasheet.com/view.jsp?Searchword=74hc04

LM324 Datasheet, PDF

이 글에서 제가 쓰는 이미지는 다 여기있는 데이터시트에서 가져온 것임을 밝힙니다.

 

74HC04는 다음과 같은 핀아웃으로 NOT게이트를 6개 가지고 있는 CMOS IC입니다.

 

다음과 같은 회로를 구성하였습니다. 딥스위치 1번이 1A핀에 연결이 되어있고, LED가 1Y에 연결되어 있습니다. NOT게이트이기 때문에 1번스위치가 ON이면 LED는 꺼지고, 1번스위치가 OFF라면 LED가 켜지겠죠?

3개의 이미지의 차이를 한번 잘 살펴보세요. 이걸 찾으면 저는 이번 글에서 가져갈건 다 가져갔다고 생각합니다.

그래서 위 사진의 첫번째 사진은 스위치가 ON이어서, LED가 켜지지 않은 모습입니다. 그리고 두번째, 세번째 사진 둘다 1번 스위치가 OFF여서 LED가 켜진 상황인데... 둘이 같은거 같은데 왜 두개를 올린걸까요? 이미지 상 둘의 차이가 뭐일것 같은지 잠시 중단하고 한번 생각해 보세요.

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우선 두번째사진을 보면, 세번째사진에 비해 LED가 좀 어둡게 켜진거 같지 않아요? 그리고 74HC04의 1A핀에 두번째사진은 저항이 없고, 세번째사진은 GND와 연결된 저항이 있습니다.

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맞습니다. 두 사진의 차이는 입력핀에 풀다운 저항을 달았냐 아니냐의 차이입니다. 저희가 스위치를 OFF시키면 1A핀은 0V, VCC도 아닌 Floating상태입니다. 이때는 IC내부의 트랜지스터가 불안정하게 작동하고, 0과 1의 상태를 확실히 결정할 수 없습니다. 따라서 두번째사진은 Floating에 의해서 트랜지스터가 불안정하게 켜지거나 계속 0과1을 오가며 PWM이 되었기에 밝기가 어두운 것 처럼 보이게 됩니다. 반대로 세번째 사진은 스위치를 닫으면 풀다운에 의해 확실한 OFF가 되므로(입력이 0V랑 연결된 것이지요.) 트랜지스터가 확실히 동작하여 확실한 출력이 나옵니다.

 

제가 언제나 현실은 이론과 다르다는게 이것입니다. 이게 운이 좋아서 LED가 켜진것이지, 실제 디지털세계에서는 1과 0의 구별은 분명해야 합니다. 그냥 스위치를 개방하는것과 확실한 입력을 인가하는것은 완전히 다르다는 점을 잊지 않았으면 좋겠습니다.

 

 

 

또한 제가 이전의 3개의 사진에는 LED를 IC의 출력에 바로 달았습니다. 사실 LED의 경우 전력을 많이 먹지 않기때문에 큰 문제가 되지는 않습니다만, 실전에서 큰 부하를 다룰때에는 MOSFET을 통해서 ON, OFF를 제어합니다.(IC출력을 MOSFET의 게이트에 연결하고, 부하를 드레인소스에 연결하는 것이지요.) 따라서 바로 위 2개의 사진은 2N7000(NMOS)을 통해서 LED를 연결하였고, 밑의 다른 IC에도 동일하게 할 예정입니다.

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NOT : 74HC08

https://www.alldatasheet.com/view.jsp?Searchword=74hc08

LM324 Datasheet, PDF

 

 

74HC08은 위 그림과 같이 4개의 AND게이트를 가지고 있는 CMOS IC입니다.

 

딥스위치의 1번과 2번은 각각 1A, 1B핀에 연결되어있고, 2N7000의 게이트는 1Y에 연결되어 있습니다. 74HC04와 마찬가지로 진리표를 잘 생각해 봅시다. 온오프 스위치 2개면, 총 경우의 수는 4개이고, 이 중 LED가 ON이 되는 조건과 OFF가 되는 조건(LED ON, OFF는 2N7000의 ON OFF에 따라가기 때문에 1Y핀의 1, 0 출력으로 생각해도 되겠죠?)은 무엇일지를...

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AND게이트는 모든 입력 전부 1이어야 1을 내보냅니다. 여기서는 1번, 2번 스위치가 둘다 ON 이어야 1을 내보내겠죠? 따라서 위의 이미지를 본다면 스위치가 둘다 ON상태일때 LED가 켜지고, 스위치가 하나라도 OFF일때 LED가 꺼짐을 확인할 수 있습니다.

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NOT : 74HC32

https://www.alldatasheet.com/view.jsp?Searchword=74hc32

LM324 Datasheet, PDF

 

 

74HC32은 위 그림과 같이 4개의 OR게이트를 가지고 있는 CMOS IC입니다.

이쯤되면 누군가 눈치를 챘을 거 같아요. "아니 왜 7번핀과 14번핀은 맨날 GND, VCC냐?". 이게 정해진 것은 아닙니다만, 이용의 편의성을 위해 암묵적으로 이렇게 설계를 한 것입니다. 사실상 표준인 것이지요. 덕분에 제가 회로로 직접 구성을 한 것을 보면 같은 GND, VCC위치 덕분에 칩만 갈아끼우고 곧바로 다음 실험을 진행할 수 있었습니다. (그러면 사실 이걸 가지고 뒤에 소개할 74HC86의 핀아웃도 예상해 볼 수 있어요. 이걸 한번 생각해 보시는 것도 좋은 공부가 될 것입니다~)

 

역시 딥스위치의 1번과 2번은 각각 1A, 1B핀에 연결되어있고, 2N7000의 게이트는 1Y에 연결되어 있습니다. 역시 진리표를 생각해봅시다.

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OR게이트는 하나의 입력이라도 1이라면 1을 내보냅니다. 여기서는 1번, 2번 스위치가 둘다 OFF 이어야 0을 내보내겠죠? 따라서 위의 이미지를 본다면 스위치가 둘다 OFF상태일때 LED가 꺼지고, 스위치가 하나라도 ON일때 LED가 켜짐을 확인할 수 있습니다.

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NOT : 74HC86

https://www.alldatasheet.com/view.jsp?Searchword=74hc86

LM324 Datasheet, PDF

 

 

74HC86도 위 그림과 같이 4개의 XOR게이트를 가지고 있는 CMOS IC입니다. (여러분들의 예상처럼 생겼나요??)

 

(위에꺼 복사 붙여넣기 티가 많이 나나요?)

딥스위치의 1번과 2번은 각각 1A, 1B핀에 연결되어있고, 2N7000의 게이트는 1Y에 연결되어 있습니다. (또또또) 진리표를 잘 생각해봅시다.

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XOR게이트는 입력단자가 2개일 경우, 두개의 입력이 같으면 0, 두개의 입력이 다르면 1을 출력합니다. 위의 회로실험에서, 두개의 스위치가 다른 상태를 가질 때 LED가 켜지고, 같은 상태를 가질 때 LED가 꺼짐을 확인할 수 있습니다. 

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IC를 사용한 NOT, AND, OR, XOR을 연산하는 간단한 2bit CPU

이러한 연산장치를 레지스터와 버스, 클럭, PC, 메모리와 동기화시킨 것이 사실은 우리가 현재 사용하는 CPU의 기본이거든요. 어차피 제가 이미 8bit CPU를 만들었던적은 있기에, 딥스위치로 간단한 연산을 진행하는 회로를 만들어 보았습니다.

20260515_011655_av1.mp4

10.60MB

후에 적절한 프로그램을 ROM등에 담아서 정해진 클럭마다 비트를 방출or저장시켜 연산을 하는 것이 CPU의 기본적인 동작 원리입니다.