3. 논리 게이트 (1)

1논리 레벨 — TTL과 CMOS

논리 게이트는 하드웨어를 구성하는 기본 요소로, 한 개 이상의 입력 단자와 하나의 출력 단자로 구성된 전자회로입니다. 디지털 시스템은 전압 신호를 0과 1 두 가지 값으로 인식합니다.

▸ TTL vs CMOS 논리 레벨

구분	TTL	CMOS
구성	바이폴라 접합형 트랜지스터 + 저항	P형 + N형 금속산화물 반도체
논리 0 전압	0V ~ 0.8V	0V ~ 1.5V
논리 1 전압	2.5V ~ 5V	3.5V ~ 5V
정의되지 않은 영역	0.8V ~ 2.5V	1.5V ~ 3.5V

⚠️	정의되지 않은 영역(Undefined Zone) — 이 범위의 전압은 0인지 1인지 판별이 불가능합니다. 안정적인 디지털 회로 설계를 위해 이 영역의 신호가 입력되지 않도록 해야 합니다.

2기본 게이트 — NOT · 버퍼 · AND · OR

각 게이트의 핵심 동작 규칙을 "언제 출력이 1이 되는가?"로 기억하면 쉽습니다.

논리기호 읽는 법 — 입력선은 왼쪽, 출력선은 오른쪽. 출력 쪽 작은 ●(버블)은 반전(NOT)을 의미합니다. 동작파형 — 가로축: 시간, 세로축: 논리 레벨(위=1, 아래=0). 수직선은 신호 전환(0→1, 1→0)을 나타냅니다.

NOT 게이트 F = Ā

버퍼 (Buffer) F = A

AND 게이트 F = A·B

OR 게이트 F = A+B

3확장 게이트 — NAND · NOR · XOR · XNOR

NAND·NOR는 AND·OR의 출력을 반전시킨 게이트, XOR·XNOR는 서로 다른지/같은지를 판별합니다.

NAND 게이트 F = A̅B̅ (NOT AND)

NOR 게이트 F = A̅+̅B̅ (NOT OR)

XOR 게이트 (eXclusive-OR) F = A⊕B

XNOR 게이트 (eXclusive-NOR) F = A⊙B

▸ 전체 게이트 핵심 규칙 한눈에 보기

게이트	논리식	출력이 1이 되는 조건	관계
NOT	F = Ā	입력이 0일 때	단독
AND	F = A·B	모든 입력이 1일 때만	기본
NAND	F = A̅B̅	모든 입력이 1이 아닌 경우	NOT AND
OR	F = A+B	하나라도 1이면	기본
NOR	F = A̅+̅B̅	모든 입력이 0일 때만	NOT OR
XOR	F = A⊕B	홀수 개의 1이 입력될 때	배타적 OR
XNOR	F = A⊙B	짝수 개의 1이 입력될 때	NOT XOR

4게이트의 전기적 특성

실제 회로에서 게이트를 사용할 때는 전기적 특성을 이해해야 합니다. 속도, 전력, 잡음 내성, 연결 가능 수가 모두 설계에 영향을 줍니다.

▸ 핵심 전기적 특성 4가지

⏱️ 전파지연시간 (Propagation Delay) 신호가 입력에서 출력될 때까지의 시간. 게이트의 동작 속도를 나타냄. • tPHL: H→L 변환 시 지연시간 • tPLH: L→H 변환 시 지연시간		⚡ 전력소모 (Power Dissipation) 게이트가 동작할 때 소모되는 전력량. PCC = VCC × ICC 공급전압 × 공급전류
🔇 잡음여유도 (Noise Margin) 데이터 값을 변경시키지 않는 범위 내에서 최대로 허용된 잡음의 크기. 잡음여유도가 클수록 안정적인 회로		🔌 팬-인 / 팬-아웃 (Fan-in / Fan-out) 팬-아웃: 1개 게이트 출력에서 연결 가능한 최대 입력 수 팬-인: 1개 게이트에 입력으로 접속할 수 있는 단수

▸ TTL vs CMOS IC 계열 비교

구분	TTL	CMOS
구성 소자	BJT + Diode	NMOS + PMOS FET
소비전력	10mW (높음)	10μW (매우 낮음) ✅
동작 속도	빠름 ✅	느림 (고속 CMOS로 개선 중)
팬-아웃	10개	50개 ✅
잡음여유도	2.4V	3V ✅

🏷 태그 키워드

논리 게이트 종류TTL CMOS 논리레벨AND OR NOT 게이트NAND NOR 게이트XOR XNOR 게이트논리 게이트 진리표전파지연시간 전력소모팬인 팬아웃TTL CMOS 비교디지털공학 기초