트랜지스터로배우는디지털회로Ⅱ-7. 각종 로직 IC의 실력을 평가한다

트랜지스터로배우는디지털회로Ⅱ

HDL(Hardware Description Language)을 사용하는 논리회로설계가 당연해진 지금도 실제로 동작하고 있는 하드웨어, 즉 전자회로의 동작이나 실력을 숙지해두는 것은 매우 중요한 일이다. 그 지식들은 인터페이스를 설계하거나 트러블이 발생했을 때 반드시 필요한 것이기 때문이다. 이와 관련, 본지 특집에서는 NAND 게이트를 직접 제작하여 스타트시키고 플립플롭의 실제 동작을 확인한다. 또한 순서회로설계에 있어서 중요한 동기식 방식도 해설하고 각종 로직 IC의 실력 및 특징도 알아본다.

本記事는 日本CQ出版社가 發行하는「トランジスタ技術」誌(2004年9月號)와의 著作權協定에 依據하여 提供받은 資料입니다.

스피드/노이즈/소비전류를 실제측정하여 비교한다
7. 각종 로직 IC의 실력을 평가한다


범용 로직 IC(통칭‘74 로직’)에는 다양한 시리즈(패밀리) 가 있다. 10년~20년 전에는 74LS 시리즈나 74HC 시리즈, 고속으로는 74AC 시리즈 등이 일반적이었다. 이들의 로직 IC는 전원전압 5V에서 사용하는 것이 통상적이다.
그러한 가운데 5~10년 전부터 저전압 로직 IC(3.3계나 2.5V계)가 사용되기 시작했다. 그리고 그들의 저전압 로직 IC는 현재 주류를 이루고 있다. 그러나 저전압 로직 IC에도 다양한 시리즈가 있으며 선택에 있어서는 이것 또한 어려운 점이다.
그러므로 여기에서는 버스 버퍼 IC로서 일반적인 74244를 예로 들어 실제 동작시키고 그 동작파형을 중심으로 각종 로 직 IC의 실력을 패밀리마다 조사해 본다.

각종 로직 IC의 실력을 평가한다
 각 패밀리의 스위칭특성
1. 실험방법
주로 스위칭 특성에 관해 조사해 보았다. 평가회로를 그림1에 나타낸다. 



부하저항 RL＝510Ω(파형을 관측하고 있는 단자에 관해서는 500Ω), 부하용량 CL＝47pF(파형을 관측 하고 있는 단자에 관해서는 이 용량에 프로브의 1.5pF이 가산된다)으로 실험했다. 이 조건은 데이터 시트 등에 기재되어 있는 스위칭 특성의 평가조건에 가까운 것이다. 단, 동작 소 비전류의 측정에 관해서는 부하저항 RL＝1㏀(프로브가 접속 되어 있지 않으므로), 부하용량 CL＝47pF으로 측정했다. 측정한 시스템을 그림 2와 그림 3에 나타낸다.



그림 2는 전파지연시간 등의 스위칭 특성 측정과 동작 소비전류를 측정하는 방법이다. 또 그림 3은 동시 스위칭 노이즈를 측정하는 방법이다.
오실로스코프는 infinium 54845A(애질런트 테크놀러지), 펄스 제너레이터는 8133A(애질런트 테크놀러지)를 사용했다. 기타 외부 기준신호원으로 시그널 제너레이터 SML03(Rohde & Schwarz)을 사용했다. 동작 소비전류 측정에서는 디지털 멀티미터 R6581(어드밴테스트)을 사용했다.
(1) 실험결과
전송하는 신호의 속도가 빨라질수록 프린트 기판에의 실장에 미치는 영향이 현저해진다. 따라서 여기에서의 실험 데이 터를 기초로 하여 실제로 설계해서는 안된다. 설계는 어디까 지나 데이터 시트의 워스트 값을 사용해야 한다. 또 파형 품 질에 관한 검증도 실제 사용에 가깝게 실장한 다음 시행해야 할 것이다. 여기에서의 평가 데이터는 각 로직 패밀리의 실력 값에 대한 참고 데이터로 이용하는 정도로 그치기 바란다.

2. 평가할 IC
평가할 IC의 주요 특성을 표 1에 나타낸다.



르네사스 테크놀러지 제품이 1품종, 도시바 제품이 3품종이다. 이것은 아키 하바라의 소매점에서 구입한 것이다. 그 밖의 5품종에 관해서 는 텍사스 인스트루먼트(TI)사에서 샘플로 제공하고 있어 그 것을 사용했다. 범용 로직 IC는 생산을 축소하는 경향인 회사 도 있는 것 같다. 그러한 가운데 텍사스 인스트루먼트사는 안 정적으로 공급할 수 있는 체제를 정비하고 있는 것 같아 이용 자로서는 안심하고 사용할 수 있다.
74LS244와 74HC244 그리고 74AC244의 외관을 사진 1에 나타낸다. 



또 사진 2에는 74ALVC244를 제외한 저전압 로직 IC의 외관을 나타낸다.



이러한 로직 IC는 선하야토사의 패키지 변환 어댑터 20P-SOD-127-300을 사용하여 실험하 기로 했다.
이 패키지 변환 어댑터는 스위칭 특성에 영향을 미칠 가능 성이 있다. 그래서 사전 실험을 실행하여 변환 어댑터의 영향 에 대해 확인해 두기로 했다. 74ALVC244에 관해서는 전용으로 실험기판을 제작했다. 사진 3은 제작한 실험기판에 IC를 실장한 모습이다.

3. 사전 실험
(1) 패키지 변환 어댑터를 평가에 사용할 수 있는지 조사한다
SOP 패키지용으로 만든 실험기판과 DIP 패키지용으로 만 든 실험기판의 외관을 사진 4에 나타낸다.



이 2개의 실험기판을 사용하여 스위칭 특성을 측정, 비교한다. 비교한 결과, 큰 차이가 없는 것 같다면 DIP 패키지용 실 험기판을 사용하여 이후의 실험을 실행하기로 한다. 이 DIP 패키지용 실험기판이 사용된다면 IC를 소켓에서 바꿔 끼우는 것만으로 각 로직 IC의 실험을 실행할 수 있다. 즉, 어디서나 쉽게 실험할 수 있다.
(2) 결론 - 패키지 변환 어댑터는 사용할 수 있을 것 같다
실험에는 SN74ABT244ANS를 사용했다. 그림 4~그림6에 실험결과를 나타낸다.




그림 4(a)와 그림 4(b)에서 상승시간 tr의 특성을 비교할 수 있다. 변환 어댑터를 사용한 쪽의 오버슈트가 약간 큰 것 같지만 허용할 수 없는 레벨은 아니다.
그림 5(a)와 그림 5(b)에서는 하강시간 tf를 비교할 수 있 다. 이것도 변환 어댑터를 사용한 쪽의 언더슈트가 약간 큰 것 같다. 그러나 이것도 허용할 수 없을 정도로 큰 차이가 발 생하고 있는 것은 아니다.
동시 스위칭 노이즈에 관해서는 그림 6(a)와 그림 6(b)에서 비교할 수 있다. 변환 어댑터를 사용한 쪽의 노이즈 진폭 이 약간 큰 것 같다. 그러나 파형이 완전히 바뀔 정도의 차이 는 발생하지 않는 것 같다. 따라서 이것도 허용할 수 있는 레 벨이라 판단했다.
이상과 같은 결과에서, 변환 어댑터를 사용해도 로직 IC를 평가할 수 있다고 상정했다. 따라서 이후의 실험결과는 변환 어댑터를 사용하여 얻은 데이터이다. 만약 약간의 차이라도 허용할 수 없는 경우에는 여러분 스스로가 실제 사용에 가까 운 실장상태가 되도록 실험기판을 IC마다 제작하고 데이터를 얻기 바란다.

실험하는 항목

1. tr, tf 특성
그림 1의 회로에서 IN1과 OUT1의 각 포인트를 오실로스코프로 관측했다. 입력 펄스 신호의 주파수는 1MHz이다. 사용한 펄스 제너레이터 단체에서 1MHz의 신호를 발생시 킬 수 없기 때문에 신호 발생기를 사용하여 외부 기준신호를 입력했다. 신호 발생기의 주파수 설정이나 펄스 제너레이터 의 분주비에 관해서는 그림 2에 기술해 놓았다.

2. tpLH, tpHL 특성
이것도 tr, tf 측정과 마찬가지로 그림 1의 측정회로에 의해 시행했다. 관측 포인트도 tr, tf의 측정과 같다. tpLH는 상승 시 의 전파지연시간을, tpHL은 하강 시의 전파지연시간을 말한다. 측정은 입력의 진폭이 50%에 도달한 시간부터 출력의 진 폭이 50%에 도달할 때까지의 시간을 측정함으로써 실행되었 다. 또한 74HC 시리즈와 74AC 시리즈에 관해서는 입력신호 가 2.5V에 도달한 시간부터 출력의 진폭이 50%에 도달할 때 까지의 시간을 측정했다. 이것은 입력에 5V0-p의 방형파 신호 를 사용했을 경우와 같은 결과를 얻기 위해서이다.

3. 동시 스위칭 노이즈
그림 1의 회로에서 OUT2와 OUT1의 각 포인트를 오실로 스코프로 관측하여 측정했다.
OUT1의 포인트는 게이트 입력이 GND에 고정되어 있으므 로 본래의 경우라면 L레벨에 고정된 상태이다. 그러나 다른 게이트가 동시에 움직임에 따라 발생한 스위칭 노이즈는 L레 벨 고정의 게이트 출력에도 노이즈를 발생시킨다. 여기서는 이 노이즈의 진폭을 측정한다.
동시 스위칭 노이즈는 입력 레벨을 L레벨에 고정한 게이트 의 출력 외에도 영향을 미친다. 이에 따라 출력신호에‘비어 드’가 발생하기도 한다. 이 현상에 관해서는 후술하므로 참고 하기 바란다.

4. 동작 소비전류
IC 패키지 내 1개의 게이트만을 동작시켜 그 때의 소비전 류-동작주파수 관계를 측정했다. 평가방법은 그림 2와 같다. 부하조건은 RL＝1㏀, CL＝47pF이다.

실험결과를 살펴보자

1. 스위칭 특성
(1) 5V 표준 로직 IC
1) 74LS244
그림 7(a)~(c)에 측정결과를 나타낸다. 



그림 7(a)를 보면 알 수 있는 바와 같이, 비교적 큰 오버슈트가 발생하고 있다. 한편, 그림 7(b)나 그림 7(c)를 보면 언더슈트와 동시 스위칭 노이즈는 비교적 작은 것 같다.
2) 74HC244
그림 8(a)~(c)에 측정결과를 나타낸다.



이 로직 IC는 스피드가 그다지 빠르지 않으므로 상승 특성/하강 특성 모두 매우 순수한 특성으로 되어 있다. 또 동시 스위칭 노이즈도 작다.
3) 74AC244
그림 9(a)~(c)에 측정결과를 나타낸다. 큰 오버슈트가 발생하고 있다는 것을 알 수 있다.



그러나 언더슈트는 －0.5V정도이며 그렇게 크지는 않다. 동시 스위칭 노이즈는 이번에 평가한 로직 IC 중에서 가장 큰 것 같다.
4) 74ABT244
그림 10(a)~(c)에 측정결과를 나타낸다.



이 로직 IC도 큰 오버슈트가 발생하고 있다. 그러나 언더슈트나 동시 스위칭 노이즈는 작게 되어 있다.
(2) 저전압 로직 IC
1) 74LV244
74LV 시리즈는 5V 표준 로직 IC인 74HC 시리즈 정도의 스피드를 지닌 저전압 로직 패밀리이다. 이 시리즈는 저전압 동작이 가능하며 전원전압 5V에서의 동작도 가능하다. 또 5V 톨러런트 기능을 갖고 있으므로 5V계의 로직 신호를 직접 입력할 수 있다. 사용 시 주의해야 할 점은, 입력 스레졸드 전압이 전원전압 에 의해 변한다는 것이다. 즉, 입력은 LVCMOS이므로 H레 벨 입력전압은 VCC×0.7[V], L레벨 입력전압은 VCC× 0.3[V]라 볼 필요가 있다(대표값은 VCC×0.5[V]). 그림 11(a)~(c)에 측정결과를 나타낸다. 



상승 특성이나 하강 특성은 74HC 시리즈와 유사한 특성으로 되어 있다. 동 시 스위칭 노이즈의 진폭은 74HC 시리즈보다 74LV 시리즈 쪽이 약간 큰 것 같다.
또한 74LV 시리즈는 저전압 로직 IC이므로 74HC 시리즈 보다 상대적으로 동시 스위칭 노이즈의 영향을 받기 쉽다. 동 시 스위칭 노이즈가 문제될 것 같을 경우에는 바이패스 콘덴 서를 가급적 디바이스 가까이 넣어 부하용량을 감소시키는 등의 대책을 세워야 할 것이다.
2) 74LCX244
74LCX 시리즈는 전원전압이 3.3V라고 해도 5V계의 로직 신호를 직접 입력할 수 있는 패밀리이다. 또 출력 디세이블일 때에는 출력에 5V를 인가할 수도 있다. 때문에 5V 표준 로직 과 3.3V 저전압 로직과의 인터페이스를 실행할 때 편리한 시 리즈이다.
부하구동 능력이나 스피드는 74AC 시리즈와 비슷하다. 전 원전압이 2.7~3.3V인 범위에서 입력 스레졸드 전압은 LVTTL로 생각한다. 즉, H레벨 입력전압 VIH＝2.0V, L레벨 입력전압 VIL＝0.8V이다(대표값은 1.5V).
측정결과는 그림 12(a)~(c)에 나타난 바와 같다.



결과를 보면 동시 스위칭 노이즈가 큰 것 같다. LVCMOS의 스레졸 드 전압에 가까운 약 1.1V의 노이즈가 발생하고 있다. 그러 므로 후단에 LVCMOS 입력의 로직 IC를 사용하면 문제가 발생할 우려가 있다. 동시 스위칭 노이즈를 경감시키려면 너 무 무거운 용량을 동시에 드라이브하지 않도록 주의해서 사 용해야 한다.
그러나 지금까지의 결과를 보면 어쩐지 74AC 시리즈나 그 에 해당하는 제품은 동시 스위칭 노이즈가 큰 경향인 것 같 다. 다음에 소개하는 74LVC244도 74AC 시리즈에 해당하므 로 동시 스위칭 노이즈에 주목하고 싶다.
3) 74LVC244
74LVC 시리즈도 전원전압에 의하지 않고 5V계의 로직 신 호를 직접 입력할 수 있는 패밀리이다. 데이터 시트를 보면 전원전압이 3.3V일 경우 LVTTL 입력이라 생각해도 되지만, 전원전압이 2.5V 이하로 되면 LVCMOS로 생각해야 할 것 이다.
측정결과를 그림 13(a)~(c)에 나타낸다. 



그림 13(c)에서 전술한 74LCX244와 마찬가지로 동시 스위칭 노이즈가 크다 는 것을 알 수 있다. 이 측정에서는 1.25V에 도달하고 있다. 후단이 LVCMOS 입력이라면 문제가 발생할지도 모른다.
4) 74LVT244
74LVT 시리즈는 74ABT 시리즈에 해당하는 저전압 로직 패밀리이다. 이 시리즈도 5V의 로직 신호를 직접 입력할 수 있다. 입력 스레졸드 전압은 LVTTL로 생각하면 될 것이다. 74ABT 시리즈는, 스피드가 빨라도 동시 스위칭 노이즈가 작았던 점은 앞서 조사한 바와 같다. 그림 14(c)의 측정결과를 보면 74LVT 시리즈도 동시 스위칭 노이즈가 비교적 작다 는 것을 알 수 있다.



또 그림 14(a)나 그림 14(b)를 보면 오버슈트나 언더슈트 도 작아 사용하기 편리할 것 같은 저전압 로직 IC이다.
5) 74ALVC244
74LVT 시리즈는 BiCMOS 프로세스의 고속 로직 IC였지 만 이 74ALVC 시리즈는 CMOS 프로세스로 74LVT 시리즈 보다 고속성능을 실현하고 있는 로직 패밀리이다. 그러나 74LVT 시리즈와 달리 입력전압은 3.6V까지이므로 5V계의 로직 신호를 직접 입력할 수는 없다. 또 입력 스레졸드 전압 의 사고방식은 74LVC 시리즈와 같다.
측정결과를 그림 15(a)~(c)에 나타낸다. 



그림 15(a)나 그림 15(b)에서는 다른 패밀리에 비해 전파지연시간이 짧다는 것을 알 수 있다. 그러나 그림 15(c)를 보면 동시 스위칭 노이 즈는 74LVC 시리즈와 같은 정도로 발생하는 것 같다. 동시 스위칭 노이즈가 큰 고속 로직 IC에 상승이나 하강이 완만한 신호를 입력하면 에지가 외란되는 문제를 일으키는 경우가 있다.
때문에 정현파신호 등 에지의 완만한 신호를 고속 로직 신 호로 변환할 때에는 슈미트 트리거와 같은 입력 특성에 히스 테리시스를 지닌 로직 IC를 사용하거나 고주파 트랜지스터를 내장한 고속 차동 스위치 회로 또는 ECL(Emitter Coupled Logic)을 사용하면 될 것이다.

2. 동작 소비전류
그림 16, 그림 17은 동작 주파수에 의해 소비전류가 어떻게 변화하는가를 측정해 본 결과이다.



TTL인 74LS 시리즈는 원래 소비전류가 크고 동작주파수가 높아져도 그렇게 급 격하게 소비전류가 증가하지는 않는다. 한편, CMOS 로직 IC는 동작 주파수가 낮을 경우 저소비 전류이지만 주파수가 높아지면 소비전류가 급격히 증가되기 시작한다. 그러나 소비전류가 주파수에 비례하여 한없이 상승하는 것은 아니며 그림 18과 같이 출력신호를 정상적으로얻을 수 없게 되면 감소하기 시작한다.

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각종 로직 패밀리의 스위칭 특성을 중심으로 살펴보았다. 표 2~표 4는 오실로스코프에 의해 측정한 각 측정값을 정리한 것이다.




표 4를 보면, 동시 스위칭 노이즈 Vp＋가 1.0V를 초과하고 있는 것은 모두 74AC 시리즈 및 그에 해당하는 제 품이라는 것을 알 수 있다. 이러한 시리즈는 전부 부하 드라이 브 능력이 같다.
이와 같은 점에서 어쩌면 동시 스위칭 노이즈의 대소는 로 직 IC 출력단의 회로구성에 그 비밀이 숨어있는지도 모른다. 또 고속 로직 IC일수록 동시 스위칭 노이즈가 큰가 하면 그 렇지는 않은 것 같다. 이에 대해 알기 쉽게 나타낸 것이 그림 19이다.



세로축은 동시 스위칭 노이즈 p-p 값을 나타내고 있다. 또 가로축은 tpLH와 tpHL의 평균값이다. 그림 19에서 74ABT 시리즈를 제외하고 5V 표준 로직 IC만 본다면 고속 일수록 동시 스위칭 노이즈가 크다고 할 수 있을 것이다. 그 러나 저전압 로직 IC도 포함하여 생각하면 그러한 경우는 없 을 것 같다.
세로축에 tr과 tf의 평균값을, 가로축에 tpLH와 tpHL의 평균 값을 구하여 각 로직 패밀리에 대해 플롯한 것을 그림 20에 나타낸다. 



이 그림에서 볼 때 상승/하강시간에 대해서는 전파 지연시간과 상관이 있다는 것을 알 수 있다. 확실히 전파지연 시간이 짧은데도 상승이 둔해진다는 것은 기묘한 일이므로 이것은 당연한 이야기라 할 수 있다.



1. 입력신호가 깨끗하다면 에지는 외란되지 않는다
고속 로직 IC에 상승이나 하강이 완만한 신호를 입력하면 어떻게 되는지 실험해 보았다. 그림 21은 SN74ALVC244 PW의 게이트 1개만 동작시켰을 경우의 입출력파형이다.



처음에는 입력신호에 포함된 노이즈에 의해 출력신호의 에 지가 외란된다고 생각하고 있었는데 입력신호가 깨끗하다면 그러한 일이 없었을 것이다. 그림 22는 이 파형의 하강부분을 확대한 것이다.

2. 스위칭 노이즈에 의해 입력신호가 오염된다
입력신호 그 자체는 깨끗하지만 그 신호가 디바이스 내에 서 오염되는 경우가 있다. 스위칭 노이즈가 바로 그 원인이 다. 그래서 동시 스위칭 노이즈에 의해 입력신호가 오염되면 어떻게 되는가를 실험해 본 결과가 그림 23이다.



언뜻 보기에 출력 하강에 외란이 발생하고 있다는 것을 알 수 있다.
이 부분을 확대한 것이 그림 24이다. 
출력신호의 변화에 동기하여 발생한 노이즈가 입력신호에 중첩되고 있다는 것을 알았을 것이다.

3. 스레졸드 전압 부근에 노이즈가 실리면 문제된다
이 실험결과에서 보면, 동시 스위칭 노이즈에 의해 입력신 호가 영향을 받고 이것이 출력신호에도 영향을 미치게 된다 는 것을 알 수 있다.
그러나 입력신호의 어떤 위치(레벨)에 노이즈가 실렸을 때 가장 문제가 발생하기 쉬운지 살펴보면 바로 스레졸드 전압 부근이다.
고속 로직 IC는 전파지연시간이 짧으므로 신호가 입력된 다음 출력이 변화할 때까지의 사이에는 그다지 시간차가 없 다. 때문에 출력 레벨의 변화에 따라 발생한 스위칭 노이즈가 정확히 입력 스레졸드 전압 부근의 레벨을 변동시킬 가능성 이 높아진다. 즉, 고속 로직 IC일수록 동시 스위칭 노이즈의 영향을 받기 쉽다.

4. 저속 로직 IC는 영향을 잘 받지 않는다
그러나 저속 로직 IC라면 문제가 별로 발생하지 않는다고 할 수 있다. 그래서 74ALVC 시리즈보다 저속인 74LV 시리즈에서 같은 실험을 실행해보았다. 그 결과를 그림 25에 나타낸다.



출력의 에지는 상승/하강 모두 외란되지 않는다. 그림 26은 하강부분을 확대한 것이다. 



동시 스위칭 노이즈에 의해 입력신호에 노이즈가 중첩되고 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 그러나 이 노이즈는 스레졸드 전압에서 약간 엇갈린 레벨로 발생하고 있기 때문에 그다지 문제되지 않는 것 같다.

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이상과 같은 실험에서 고속 로직 IC일수록 동시 스위칭 노 이즈의 영향을 받기 쉽고, 입력신호가 라운딩되어 있을 때 문 제가 발생되기 쉽다는 것을 확인할 수 있었다. 고속 로직 IC를 사용할 때에는 입력하는 신호의 상승시간에도 주의하고 너무 라운딩된 신호를 입력하지 않도록 해야 할 것이다.

[출처] 트랜지스터로배우는디지털회로cdⅡ|작성자 맥가이심

출처: ICBANK