트랜지스터로배우는디지털회로Ⅱ-6. 각종 로직 IC의 특징과 선택 기준
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.
74 시리즈에서 파생된 로직패밀리를 전망한다
6. 각종 로직 IC의 특징과 선택 기준
로직 IC의 대명사라고 하면‘74 시리즈’가 떠오를 정도로 대표적이다. 나를 포함하여 디지털 회로 설계를 목표로 하는 젊은 사람이 우선적으로 보는 책은 VHDL이나 Verilog- HDL, 그리고 회로집 등보다 CQ 출판사의‘범용 로직 디바 이스 규격표’일 것이다.
74 시리즈는 아키하바라 등에서도 쉽게 구할 수 있고 여러 메이커가 제조하고 있다는 점에서 구입 방법에 대해서는 그 다지 진지하게 생각하지 않아도 되는 디바이스이다.
그러나 74 시리즈에도 무인(無印), 74Sxx, 74LSxx, 저전 압 구동용인 74VHCxx, 74LVCxx 등 다양한 종류가 있다. 그 차이는 어디에 있는가?…라 물으면 전술한 규격표나 각 사 의 웹사이트 등에서 조사해보라고 하고 싶다.
그러나 디지털 회로 설계에 관계된 일을 처음 할 때나 설계 경험이 적은 경우, 풍부한 정보보다는‘이러한 경우에 사용하 는 것이다’라는 것을 먼저 알아두는 것이 좋다고 생각한다. 여기에서는 내가 로직 IC를 사용할 때 기준으로 이용하는 독자적인 기준을 소개하면서 풍부한 각종 로직 IC의 패밀리 에 관해 소개해 간다. 여기서 해설하는 주요 로직 IC 패밀리 에 관하여 표 1에 정리해 둔다.
5V 구동 표준 로직 패밀리
1. 74 패밀리
디지털 회로 구상 시 회로를 구성하는 소자의 대명사이기 도 한 것이‘74 패밀리’이다.
74 패밀리는 TTL, 즉 바이폴러 트랜지스터로 구성된 로직 IC이다. 매우 오래된 디바이스 패밀리이므로 지금은 거의 볼 수 없다. 그러나 구조가 간단하므로 로직 IC의 동작에 관하여 공부하는 경우, 회로도가 발견되는 경우도 있다. 5V 전원구동이고 소비전력도 매우 많기 때문에 후술하는 74LS 패밀리로 대신하여 현재는 구하기 힘든 레어 아이템이 다. 후술하는 다양한 패밀리에 대해 이쪽이 오리지널 74 패밀 리이므로 나는‘74 무인’, ‘레거시 74 패밀리’등이라 부르고 있다.
2. 74S 패밀리, 74LS 패밀리, 74F 패밀리
처음에 등장한 74 패밀리의 내부구조를 각 사가 변경하여 만들어 내고 있으며, 현재 74 패밀리의 보급을 확대하게 된 디바이스 패밀리군이다. 후술하는 74HC 패밀리도 여기서 소 개하는 3 패밀리와 마찬가지로 유명하지는 않지만 프로세스 에 차이가 있으므로 별도로 해설한다.
각각 74S 패밀리의 S는 쇼트키(Shotkey), 74LS 패밀리의 LS는 로우 파워 쇼트키(Lowpower-Shotkey), 그리고 74F 패밀리의 F는 패스트(Fast)의 약자이다.
(1) VIL과 동작속도
74 무인 패밀리를 구성하는 TTL에 있어서 내부 트랜지스 터는 다이오드와 마찬가지로 VBE(베이스-이미터간 전압) 특 성을 지닌다. 이 베이스-이미터간 전압은 대략 0.65~0.8V이 므로 TTL 디바이스의 L레벨 측 입력전압 VIL의 최대값은 0.8Vmax.로 되어 있다.
그에 비해 여기서 소개한 패밀리 중 쇼트키 트랜지스터를 사용한 것에서는 이 전압이 0.4V 정도까지 내려간다. 트랜지스터의 동작을 결정하는 ON/OFF 전압이 낮다는 것은 그만 큼 전압에 대한 감도가 높아 고속으로 움직일 수 있다는 것을 의미한다.
그러므로 쇼트키 패밀리는 74 무인 패밀리에 비해 2배 이 상의 속도로 동작할 수 있는 반면, 소비전력이 매우 크다. 속 도가 올라가면 소비전력도 크다는 것은 지금도 변함이 없다. 출력전압 레벨은 일반적으로 말하는 TTL 로직 인터페이스 레벨이며 VIH/VOH는 2.4V 이상, VIL/VOL은 0.8V 이하이다. 로직 IC에서의 일반적인 H레벨/L레벨의 보증범위와 VIH/VOH, VIL/VOL의 관계를 그림 1에 나타낸다.
(2) 소비전력 저감
쇼트키 특성을 내부 트랜지스터에 사용하는 데 있어서 소 비전력도 내리려고 한다는 점에서 생각해낸 것이 74LS 패밀 리이다. 또 쇼트키 특성까지 말하지 않더라도 트랜지스터를 고속으로 구동하도록 얼리 효과를 억제하여 트랜지스터 앞의 팬 아웃 조정도 실행한 것이 74F 패밀리이다.
74 무인과 74S, 74LS, 74F 패밀리 모두 내부는 트랜지스 터(와 쇼트키 배리어 다이오드)를 베이스에 조립해 넣은 것으 로, 74LS와 74F 패밀리는 지금도 널리 구할 수 있는 베스트 셀러이다. 어쩌면 앞으로도 완전히 없어지지는 않을 것이라 생각된다.
(3) 3품종 구분사용
TTL 디바이스는 소비전력도 고려해야 할 부품이지만 역시 속도가 가장 중요하다. 내 경험상, 상기의 4패밀리를 속도로 비교하면 74S 패밀리, 74F 패밀리, 74LS 패밀리, 그리고 마 지막으로 74 무인 순으로 느려진다. 단, 74S와 74F 패밀리의 차이에 관해서는 버스 버퍼(244/245)나 카운터(161/163), 디코더(138/139)를 비교해도 현재로서는 거의 차이가 없다. 또 소비전력에서는 74S와 74F 사이에 2배 이상의 차이가 있 다는 것도 경험적으로 알고 있다.
때문에 74S 패밀리는 소비전력이라는 관점에서, 무인 패밀 리는 구입 제품이라는 관점에서 사용을 대기시켜 놓고 일반 적으로는 74LS 패밀리를 많은 부분에서 사용하고 있으며 특 별히 속도가 중시되는 어드레스 디코더나 프라이오리티 인코 더 등의 랜덤 로직에서는 74F 패밀리를 사용한다.
또 아무리 FPGA가 대규모에 저가로 되었다고 해도 TTL 디바이스의 244/245/540/541을 대표로 하는 버스 버퍼는 5V 인터페이스와 3.3V계, 클록 전송이나 보드간 통신의 입 출력 보호회로로서도 사용될 것이다.
여기서 소개한 세 제품은 모두 구동하기 위해 5V 전압을 공급해야 한다. 그 결과, 현재의 저소비전력 애플리케이션에 맞지 않는 부분이 나오기 시작하였으며 현재는 로직 제품의 주역이라고 할 수 없다. 주로 모터 제어 애플리케이션이나 오래된 마이크로컴퓨터 시스템과의 혼합 제품에 사용되고 있다.
다음에 소개하는 74HC 패밀리는 74 무인, 74S, 74LS, 그 리고 74F 패밀리와는 약간 다른 방법을 사용하기 위해 등장 한 제품군이다.
3. 74HC 패밀리
74HC 패밀리는 74LS, 74F와 마찬가지로 널리 알려져 있 는 패밀리이다. 다른 점은 압도적인 저소비전력 특성이다.
(1) CMOS 구조에서 저소비전력
74HC 패밀리의 HC는 하이스피드 CMOS(High-speed CMOS)의 약자로, 전술한 74LS나 74F 패밀리와는 달리 내 부구조가 CMOS(Complementary MOS) 디바이스로 구성 되어 있다.
바이폴러 트랜지스터는 구조상, ON일 때 베이스-이미터 사이에 전류가 흐르고(IB：베이스 전류), 또 바이어스 전류를 흘릴 필요도 있으므로 어느 정도의 전력소비는 어쩔 수 없다. 오히려 전류를 흘리면 흘릴수록 빨리 움직이는 것이 바이폴 러 트랜지스터의 특성이며(물론 한계는 있지만) 쇼트키 구성 의 74S 패밀리와 같이‘고속’이긴 하지만‘소비전력이 크다’ 는 성격을 갖고 있다.
이에 대해 74HC 패밀리는 로직 구성부분이 CMOS 디바 이스로 구성되어 있다. CMOS 디바이스의 FET는 원리적으 로는 바이어스 전류가 흐르지 않는다. 현실적으로는 게이트 와 드레인-소스간의 미약한 용량에 대한 차지가 필요하게 된 다. 또 NMOS와 PMOS를 조합한 CMOS 구조인 경우에는 ON/OFF 시 양쪽 FET가 동시에 ON되는 순간이 존재하기 때문에 관통전류가 흐른다.
그렇지만 TTL과 같이 항상 얼마간의 전류가 흐르는 구조는 아니기 때문에 그 소비전류는 TTL 로직이 1게이트 당 수m~ 수십mA인 데 대해 약 100~1,000분의 1의 ㎂ 오더이다. 그 러므로 저소비전력 애플리케이션에 HC 패밀리를 사용한다는 것은 정설이다.
(2) 동작 전압범위가 넓다
그것과 또 하나, TTL 디바이스에 비해 저소비전력 애플리 케이션에서의 우위점이 있다.
지금까지 소개한 4패밀리는 모두 5V 구동제품이다. 74HC 패밀리도‘기본적으로는 5V 구동’하는 제품이지만 실은 동작 전압 범위가 넓어 2.5~6V 정도까지의 넓은 전압범위에서 동 작한다. 이에 대해 TTL 디바이스는 5V±5%~10%가 규격 상의 동작범위이다.
이것은 대단한 점이며, 예를 들어 배터리 동작 애플리케이 션에서 SRAM 디바이스 등의 기록보호를 실행하는 경우, 전 압 저하를 검출하여 SRAM의 기록을 로크해야 한다. 74LS패밀리나 74F 패밀리와 같은 TTL 디바이스인 경우, 전압 저 하에 의해 IC의 동작도 불안정해져 버리지만 74HC 패밀리 인 경우에는 최저 구동 전압범위까지 바르게 동작한다. 또한 출력전압 VOH/VOL은 출력단이 CMOS 구성이기 때문 에 TTL 디바이스에서의 VCE(컬렉터-이미터간 전압)와 비교 하여 로스 전압이 낮고 대략 동작 전압범위의 한계까지 흔들 린다. 즉, 5V 전압에서 구동하고 있는 경우, VOH는 5V 부근, VOL은 0V 부근까지 진폭된다. 마찬가지로 3.3V일 때 VOH는 3.3V, VOL은 0V 부근까지 진폭된다.
입력의 전압 특성은 TTL 디바이스와 마찬가지이다. 물론 전 압 보호기능은 5V 디바이스와 같고 내압도 같은 클래스이다. 이렇게 우수한 특성을 이용함으로써 74HC 패밀리를 사용 하여 기존의 5V 버스 인터페이스와 3.3V 버스 인터페이스 사이의 레벨을 변환할 수 있는 것이다.
저전압 애플리케이션에서 레벨 변환까지 이용할 수 있고 저소비전력과 다양한 이점이 있는 74HC패밀리이지만, 속도 면에서는 74F 패밀리와 74LS 패밀리의 중간, 또 74LS 패밀 리군이므로 그다지 빠르다고는 할 수 없다.
또 출력전압 진폭이 공급 전원전압 한계까지 흔들리므로 속도는 더욱 느려지고 출력단에서 TTL 디바이스와 유입/유 출하는 전류가 같다면 TTL에 비해 노이즈의 발생원으로 될 수도 있다. 동시 스위칭에 의한 영향이 TTL에 비해 커진다는 것이다.
따라서 이러한 점을 고려한 다음에 5V 구동 디바이스의 74HC 패밀리를 적절하게 사용해 가기 바란다.
4. 4000 시리즈
지금까지 소개한 것 중에서 74 무인, 74S, 74F, 74LS 패 밀리는 트랜지스터로 구성된 TTL 디바이스이다. 74HC 패밀 리는 TTL 패밀리인 이 4종류의 기능을 답습하면서 내부를 CMOS 프로세스로 만든 저소비전력 로직 패밀리이다. 이들 을 총칭하여‘74 시리즈’라 한다.
(1) 74 시리즈와는 다른 구성
여기서 소개하는 4000 시리즈는 완전한 MOSFET로 구성 된 로직 IC이며 74HC 패밀리와 비슷하지만 74 패밀리와는 핀 배치나 동작 전압범위가 전혀 다르다.
또한 74 패밀리는 AND, OR, NAND, NOT, XOR 등의 논리연산 IC가 대부분이지만 4000 시리즈에는 아날로그 앰 프나 아날로그 스위치, 팬 아웃 버퍼, 클록 분배 디바이스 등 준비되어 있는 디바이스군도 논리연산 기능만은 아니다. 74 패밀리의 S, F, LS와 같은 TTL 디바이스에 대해 4000 시리즈는‘메탈 게이트 CMOS 로직’또는 그냥‘CMOS 로 직’이라고도 불린다.
74 패밀리와의 큰 차이는 명칭에서도 알 수 있듯이, 완전히 MOSFET 프로세스로 만들어진 구조상의 차이이다. 전부 MOSFET 프로세스로 조성되어 있으므로 TTL 패밀리에 비 해 매우 저소비전력이다. 그 저소비전력은 74HC 패밀리도 능가한다.
그 대신, 제품 자체가 오래된 프로세스로 조성되어 있어 동 작속도는 느리다. 74의 무인 패밀리보다도 동작속도는 느리지 만 그 느리다고 하는 결점을 보완할 정도로 저소비전력이다.
(2) 넓은 동작 전압범위
동작 전압범위가 매우 넓다는 것도 특징이다. 74F/LS 패 밀리에 비해 74HC 패밀리는 동작 전압범위가 넓다고는 하지 만 그래도 상한은 6~7V이다. 원래 5V 동작용으로 설계된 74HC 패밀리이므로 어쩔 수 없다.
이에 대해 메탈 게이트 CMOS계는 3V~12V 혹은 18V급 (온 세미컨덕터사의 14000 패밀리)이라는 넓은 동작 전압범 위를 가진다.
자동차에서의 사용을 고려했을 경우, 차량 탑재용 배터리 (승용차는 12V)에서는 일반적으로 13.2~9V 범위에서 전압 이 변화되지만 이러한 공급 전압범위를 벗어나는 애플리케이 션에서도 CMOS 로직 IC는 바르게 동작한다는 점이 안정동 작을 고려했을 경우 중요한 부분이다.
배터리 전압을 그대로 사용하는 경우는 없겠지만 넓은 동 작 전압범위를 활용하여 74HC 패밀리와 같이 전원감시나 보 호회로 애플리케이션 등에 사용할 수 있다.
(3) 기능의 베리에이션
CMOS 프로세스로 구성된 메탈 게이트 CMOS 패밀리는 TTL 디바이스와 같이 단순한‘1’과‘0’의 결과를 출력할 뿐만 아니라 아날로그 소자와 같은 기능을 지닌 디바이스도 있다. 유명한 것으로는 4066/14066(4채널 아날로그 스위치)이 있으며 2개의 아날로그 입력 중 하나를 출력하는 애플리케이 션에 사용된다. 속도가 느리므로 너무 빠른 애플리케이션에는 적합하지 않지만 음성대역 정도라면 전혀 문제가 없어 믹싱이 나 마이크, 헤드폰 출력의 전환 스위치 등에 사용되고 있다. 4046/14046은 PLL(페이즈 로크드 루프)용이며 클록 합 성(클록 신시사이저)의 기본적인 부분을 지원하는 위상 검출 회로로서 사용되고 있다. 당연한 말이지만 4001(NOR), 4011(NAND), 4070(XOR) 등의 표준 게이트도 충실하다.
5. MiniGate 패밀리
CMOS 로직 제조에 있어서 가장 규모가 큰 회사인 온 세미 컨덕터사가 매우 유니크한 디바이스, 1게이트 CMOS 패밀리 ‘MiniGate：NL17SV 시리즈’를 출하했다. 2입력 NAND인 NL17SV00XV5T2의 핀 배치를 그림 2에 나타낸다.
패키지 사이즈는 1.5mm×1.1mm이다.
이 디바이스는 CMOS 프로세스의 이점인 저소비전력을 실현하기 위해서인지 0.9V에서의 전원전압으로 동작하는 제 품이다.
또 로직 IC에서 NAND 게이트라면 수 게이트가 1패키지 에 봉입되어 14핀에서 28핀 정도의 큰 패키지에 들어있는 것 이 보통이다. 그것이 이 MiniGate 패밀리에서는 1게이트만 으로 NAND, AND, NOR, OR, BUF, INV가 준비되는 것 이다. 어떤 신호에서 아무래도 논리반전이 필요할 때, 라이트 프로텍트용으로 NAND 게이트가 필요하지만 기판면적이 한 정되어 있을 때… 등과 같은 경우에는 MiniGate 패밀리를 편 리하게 이용할 수 있다.
바이폴러 트랜지스터로 구성되어 있는 TTL 디바이스에 비 해 내부구조가 단순하고 동작전압이 넓게 잡힌다는 CMOS 디바이스의 특징을 활용한 패밀리로, PDA나 휴대전화 등의 저소비전력 애플리케이션용으로 널리 출하되고 있다. 또한 MiniGate 패밀리에 한정해서 말한다면 동작속도도 매우 빠르다. 원래 메탈 게이트 CMOS 패밀리는 2.0㎛ 또는 1.2㎛ 등의 매우 오래된 프로세스로 설계되고 있기 때문에, 예를 들어 4011(NAND 게이트)의 전파지연시간( tPD)은 100ns강이 일반적이지만 MiniGate 패밀리는 새로운 프로세스를 사용함으로써 대략 1~3ns(@3.3V 구동 시, 부하에 의 존한다)의 성능이다.
현재 4000번대, 4500번대의 메탈 게이트 CMOS가 주로 사용되는 경우는 없다. 그러나 메탈 게이트 CMOS의 특징인 넓은 동작 전압범위와 저소비전력을 무기로 오늘날의 프로세 스 사정과 링크하여 새로운 패밀리가 점점 증가하고 있다. 특히 휴대전화나 PDA와 같이 저전압이면서 배터리에서의 긴 수명 애플리케이션을 구상했을 경우, CPU나 FPGA의 선 택과 마찬가지로 외장으로 게이트 회로를 조립할 때 CMOS 패밀리를 선택하는 경우가 많아질 것이다.
3.3V 회로에서도 5V 동작의 HC 패밀리가 사용된다 내가 근무하는 회사의 제품에서 74HC 패밀리는 3.3V 구동 시스템에도 많이 이용되고 있다. 후술하는 74VHC 패밀리나 74LVC 패밀리 등의 3.3V 전용 하이스피드 CMOS 디바이스 가 아니라 일부러 5V-HC 패밀리를 사용하는 것이다. 그 이유는, 전용 디바이스는 상당히 고속으로 움직이지만 74HC 패밀리는 저속이므로 속도는 중요하지 않다. 본문에서 소개한 SRAM의 라이트 프로텍트, 클록 전환, 리셋 회로 주변 등의 보호적인 개소, 또는 한번만 동작하면 되는 용도에 사용 되는 것이다. 또 저속이라고는 해도 74LS 패밀리 정도의 속도 가 있기 때문에 플래시 ROM, 저속의 ISA 버스와 최신 FPGA 를 접속할 때의 레벨 변환에도 사용되고 있다. FPGA의 부트 인터페이스, JTAG 테스트 헤더 당의 보호와 입출력 버퍼링도 74HC244/541을 사용하고 있다. 굳이 느린 디바이스를 느린 개소에 사용한다는 것이다. 동작 전압이 낮으면 74HC 패밀리의 출력은 저속이면서 저진폭이기 때문에 동시 스위칭일 때에도 노이즈가 억제된다. 입력 레벨에 관하여 말한다면 2.5V 구동 인터페이스에서도 충분히 움직이 기 때문에 확실히 저전압 구동 FPGA의 I/O 인터페이스와의 조합에도 잘 맞는다. 74HC 패밀리는 74LS나 74F 패밀리와 같이 일반적으로 널리 알려져 있는 디바이스이다. 여러 회사에서 판매되고 있어 아키하바라 등의 전기상가에서도 쉽게 구입할 수 있을 정도로 입수성이 좋기 때문에 74LS 패밀리와 마찬가지로 항상 재고 로 사용하고 있다. 이와 같이, 74HC 패밀리의 특성을 숙지한 다음 사용하면, 저소비전력이고 입수성도 좋으며 넓은 동작 전압범위에서 사 용할 수 있는 전능한 디바이스 패밀리이므로 제품설계에도 도 움을 받을 수 있을 것이다. |
저전압 로직 패밀리
앞에서 소개한 로직 IC 패밀리는 기본적으로 5V 구동 디바 이스이다. 74HC 패밀리나 4000/4500 패밀리는 동작 전압 범위가 넓다는 것을 기술했지만 원칙적으로는 5V를 전원에 공급함으로써 구동시킨다.
현재 5V 전원구동 디바이스는 이미 오래된 부류의 제품이 다. 1995년 중반부터 전면적으로 3.3V 전원구동을 비롯한 저전압 구동의 로직 디바이스로 이행되었다.
지금은 3.3V, 2.5V, 그리고 1.8V의 로직 IC 패밀리도 있 으며 CMOS 프로세스의 디바이스에서는 0.9V 등 낮은 동작 전압의 패밀리가 출하되고 있다.
1. 업계표준이 없다
저전압 로직 IC 패밀리는 74F나 74LS 패밀리와 마찬가지 로 LVT, LVC, VHC, ABT, LCX… 등 매우 많은 패밀리가 있다.
단, 5V 구동 로직 디바이스의 패밀리처럼‘이것이 업계표 준이다’라는 것은 없다. 그래서 로직 IC를 제조하는 반도체 메이커가 신제품을 만들 때마다 패밀리가 추가되고 있으며 동작전압, 프로세스, 드라이브 능력, 지연시간 등의 중요한 파라미터가 거의 일치해도 패밀리 이름이 다른 것이다. 예를 들어 7474(D타입 플립플롭×2)라면 74S74, 74F74, 74LS74 등으로, 특성의 차이에 의한 몇 가지 패밀리 가 복수의 메이커에서 동일 명칭으로 제품화되고 있다. 그러 나 여기서 소개하는 저전압 로직 IC 패밀리에서는, 예를 들어 A사에서 CMOS 타입의 저소비전력판으로 74LVC74라는 제품이 있다면 B사에 동일한 74LVC74라는 형번의 제품은 없으며, 아마 B사에서는 A사의 LVC의 호환 제품으로 VHC 라는 품명이나 LCX라는 품명으로 부르고 있을지도 모른다. 제조현장에서는 부품의 입수성도 중요한 선태요소이며 통 상적으로는 2개 사 이상에서 구입 가능한 디바이스(세컨드 소스품이 있는 것)를 검토하게 될 것이다. 그러나 저전압 로 직 IC 패밀리인 경우에는 메이커에 따라 세컨드 소스의 제품 형번이 전혀 다른 경우가 있으므로 주의하기 바란다. 여기서는 비교적 구하기 쉬운 텍사스 인스트루먼트와 도시 바의 제품으로 복수의 저전압 로직 IC 패밀리를 소개하고자 한다. 이 2개 사 외에도 히타치제작소, 온 세미컨덕터, 내셔 널 세미컨덕터 등도 로직 제품을 제공하고 있으므로 각 사의 웹사이트 등에서 확인하기 바란다.
2. 텍사스 인스트루먼트의 저전압 로직 패밀리
표 2에 텍사스 인스트루먼트로부터 공급되고 있는 저전압 로직 패밀리의 일람을 나타낸다.
이에 관한 드라이브 능력과 지연시간의 관계를 그림 3에 나타낸다.
이러한 74 패밀리는 미국 텍사스 인스트루먼트사에서 제공 되고 있는 저전압 구동 디바이스이다. 다음에 이들 5종류 디 바이스의 특징에 관하여 해설한다.
(1) SN74LVT 패밀리, SN74LVC 패밀리
74LVT/LVC 패밀리는 3.3V 구동이 원칙인 디바이스로, 74LVT는 TTL 로직(바이폴러 구조), 74LVC는 CMOS 로 직 구조이다. 때문에 동작속도는 74LVT 패밀리 쪽이 약간 빠르지만 소비전력은 74LVC 패밀리 쪽이 일반적으로 낮은 값으로 되어 있다. 또 74LVC 패밀리는 3.3V 디바이스라고 해도 CMOS 패밀리이므로 1.8V를 포함하는 낮은 전압에서 도 동작한다.
단, 74LVC 패밀리의 단점으로 권장 구동전압인 3.3V 이 외의 저전압 구동 시에서는 후술하는 74AVC나 74ALVC, 74AUC 패밀리와 같은 저전압 동작에 특화된 제품 패밀리에 비해 느리다는 것을 들 수 있다.
74AVC 등은 저전압 구동용으로 설계되어 있으므로 속도 라는 점에 관해서는 74LVC를 저전압 구동에서 사용하는 경 우보다 성능이 높다.
또 74LVT 패밀리는 －32mA/＋64mA의 IOL 싱크 전류성 능이 있다. 매우 높은 드라이브 능력을 가진 디바이스이며 고 휘도 청색 LED를 많이 이용한 LED 전광게시판을 직접 드라 이브할 수 있는 애플리케이션에도 사용할 수 있다. 이에 대해 74LVC 패밀리는 ±24mA이다. 따라서 드라이 브 능력에 따라 74LVT 패밀리, 74LVC 패밀리를 구분 사용 할 수 있을 것이라 생각한다.
(2) SN74AVC 패밀리
74AVC의 AVC는 Advanced-Very-Low-CMOS의 약자이며 내부구조는 CMOS 디바이스이다. 권장 구동전압이 2.5V로, 2.5V 구동 시 성능을 발휘하도록 설계되어 있다. 마 찬가지로 74ALVC 패밀리는 74LVC 패밀리의 기능 확장판 (Advanced LVC)이다.
권장 동작전압은 74AVC와 74ALVC 모두 2.5V이지만 드 라이브 능력이 ±12mA급인 74AVC에 비해 74ALVC 패밀 리는 ±24mA까지 드라이브가 가능하다.
동작속도는 모두 같지만 이 회사의 해설자료에 의하면 74ALVC 패밀리는 높은 드라이브 능력을 활용하여 SDRAM 메모리가 복수로 탑재되어 있는 DIMM 메모리 모듈을 여러 장 드라이브하는 팬 아웃 버퍼의 용도를 권장하고 있다. 동작전압이 2.5V라도 출력 레벨은 LVTTL레벨이므로 3.3V 구동의 SDRAM 메모리와 직결되며 동작전압이 낮기 때문에 동시 스위칭 시의 노이즈 발생도 경감된다. 그러나 드라이브 능력만 본다면 74LVC 패밀리와 74ALVC 패밀리는 모두 ±24mA이기 때문에 성능이 같다. 모두 CMOS 프로세스이므로 동작 전압범위도 크다는 것이 특징이지만, 구분 사용함에 있어서 74LVC 패밀리는 권장 동 작전압이 3.3V이고 74ALVC 패밀리는 권장 동작전압이 2.5V라는 점을 고려하여 적절한 제품에의 사용을 검토하면 될 것이다.
(3) SN74AUC 패밀리
74AUC 패밀리는 PDA나 휴대전화, 배터리 구동 소형 정 보단말용 제품으로 제공되고 있다. 74AUC 패밀리는 구동 전 압범위가 0.8~2.7V이며 1.8V 구동 시 최적의 성능을 발휘 할 수 있도록 설계된 로직 패밀리이다.
특징적인 것은 다른 패밀리와 같이 복수의 게이트가 들어 있는 것이 아니라 1~2게이트 정도로 소규모이며 패키지도 5 핀이나 8핀과 같은 소형 패키지라는 점이다. 이것은 앞에서 소개한 온 세미컨덕터사의 NL17SV 패밀리와 마찬가지로 확 실히 소형 정보 단말용으로 설계되었다는 것을 알 수 있다. 이 패밀리는 CMOS 프로세스에 의해 제조되고 있으며 지 연시간 tPD는 1.8V 구동 시 평균 2ns의, 저전압 디바이스라 고는 하지만 매우 우수한 성능을 지니고 있다.
통상적으로는 1.8V의 동작전압이지만 최저 동작전압이 0.9V라는 점에서 활용 예를 들어보면, 전원저압 저하를 검출 하는 IC와 조합시키고 휴대전화인 경우, 통화기록 유지용 EEPROM의 기록 오동작보호 회로를 만들 수 있는 용도에 대하여 상정할 수 있다.
또한 74AUC 패밀리는 3.3V 디바이스 패밀리와 직접 연결 해도 문제가 없도록 내부에 보호회로가 들어있다. 이 IC를 사용함으로써 1.8V계 I/O 시스템과 3.3V계 I/O 시스템과 접속 하는‘레벨 변환’을 실현할 수도 있다는 것이 매력적인 점이다. 74 무인, 74LS 패밀리와 상기 4종류 패밀리의 출력전압 특성을 비교한 것을 그림 4에, 입력전압 특성을 비교한 것을 그림 5에 각각 나타낸다.
또 74LVC 패밀리에서 74AVC, 74AUC 패밀리를 인터페이스하는 경우의 VIL /VIH를 그림 6에 나타낸다.
3. 도시바의 저전압 로직 패밀리
도시바 세미컨덕터가 공급하는 저전압 구동 로직 IC 패밀 리에 관해서는 대표적인 것으로 표 3에 나타난 4종류를 살펴본다.
(1) TC74LCX 패밀리, TC74LVX 패밀리
74LCX 패밀리, 74LVX 패밀리는 모두 3.3V 구동의 CMOS 디바이스 패밀리이다.
74LCX 패밀리는 최대 5.5V의 내압을 가진 입력단의 보호 회로를 내장하고 5V 패밀리와 3.3V 패밀리의 접속을 실행할 수 있다. 74LVX 패밀리도 마찬가지이지만 74LCX보다 보호 회로를 더 엄밀하게 만들고 있는 것처럼 출력 측에 관해서도 74LCX 패밀리보다 5V 패밀리와의 접속 친화성이 향상되어 있다.
74LVX 패밀리가 74LCX 패밀리보다 나중에 등장했기 때 문에 소비전류나 지연시간 성능이 향상되어 있지만 모두 우 열을 가리기 힘든 성능의 디바이스이다.
낮은 소비전류와 5V 패밀리의 접속에 관한 동작보증/안정 이 필수인 애플리케이션에서는 74LVX 패밀리 쪽을 선택해 야 할 것이다. 그러나 3.3V 구동 시스템에서 특별히 그 정도 까지의 성능이 요구되지 않는다면 74LCX 패밀리로도 충분 하다. 5V 구동 패밀리에서 74F와 74LS를 구분 사용하는 것 과 같은 이유이다.
(2) 74VCX 패밀리
74VCX는 74LCX/LVX 패밀리로는 대응할 수 없는 저전 압에서의 동작을 가능케 한 패밀리이다. 74VCX 패밀리는 넓 은 동작 전압범위 특성을 지닌 CMOS 프로세스로 구성된 패 밀리이면서도 드라이브 능력은 다른 2패밀리에 비해 손색이 없다.
74VCX 패밀리가 활약하는 장면은 1.8V와 3.3V, 1.8V와 2.5V, 2.5V와 3.3V로 세 패턴이 다른 인터페이스에서의 상 호 레벨 변환이다.
디바이스 자체는 최대 3.6V까지의 톨러런트 입력 특성을 갖고 있으므로 레벨 변환을 목적으로 한 AND/OR 게이트 회 로 이용에 적합한 제품 패밀리이다. 특히 1.8V계 인터페이스 와 3.3V계 인터페이스의 레벨 변환은 최신 FPGA나 DSP를 사용한 시스템 설계에서 피할 수 없는 부분이다. 반대로 말하 면 이 디바이스가 살아나고 있다는 것이다.
왜냐하면 FPGA나 DSP는 코어 구동전압 1.2V 이하, I/O 전압 1.8V~2.5V라는 낮은 전압으로 구동할 수 있게 되어 있 지만 외부의 SDRM이나 플래시메모리, IDE-ATA/ATAPI 인터페이스, EIA-232 드라이버/리시버 디바이스 등에서는 아직 직접적으로 1.8V 구동할 수 있는 디바이스를 구하기 어 렵기 때문이다.
그래서 현재 구하기 쉬운 디바이스와 최신 DSP 등과의 접 속으로 74VCX 패밀리에 준비되어 있는 244/245 버스 버퍼 등을 사용하면 쉽게 레벨 변환을 실행할 수 있다. 또 레벨 변 환뿐만 아니라 게이트 로직도 풍부하게 준비되어 있다. 때문 에 랜덤 로직이나 어드레스 디코더, 버스 아비트레이션 회로 등도 완성시킬 수 있다.
74LCX, 74LVX, 74VCX 패밀리의 출력전압 특성 비교를 그림 7에, 입력전압 특성 비교를 그림 8에 각각 나타낸다.
(3) TC7MP 패밀리
마지막으로 소개하는 TC7MP 패밀리는 지금까지 소개한 도시바의 로직 IC 패밀리와 비교할 때 성능을 쫓아가기보다 는 소비전류를 저감시키는 방향으로 만들어진 패밀리이다. TC7MP 패밀리는 CMOS 프로세스로 만들어져 있고 동작 전압범위도 넓지만 특징인 저소비전류에 관해서는 동작 시 평균 2㎂라는 값이다.
동작속도는 다른 패밀리 정도로는 빠르지 않고 앞서 소개 한 텍사스 인스트루먼트의 패밀리에 비해서도 2배 가까이 느 리기(tPD≒4ns강) 때문에 고속으로 동작시키는 애플리케이션 에 이 제품을 사용하는 경우는 적을 것이라 생각된다. 그러나 이 디바이스의 최대 특징은 구동전류가 매우 낮다 는 점이다. 다른 디바이스에 비해 2자리 정도 낮은 이 성능은 배터리 구동 애플리케이션 부분에서 활약할 것이다. 어려운 점에 대해 말한다면, 아직 패밀리가 적고(2종류밖에 없다) 또 패키지가 크기 때문에 내 경우에는 제품에 사용할 경 우 기판면적에 대해 고심할 것을 상상하여 끝내버렸다. 그렇 지만 도시바는 로직 제품을 오랫동안 제공하고 있는 기업이며 신제품 개발에 있어서 TC7MP 패밀리가 더욱 늘고 있고 또한 이 기술을 사용함으로써 새로운 저소비전류의 1게이트 MOS 패밀리 등으로 전개돼 가는 것도 기대할 수 있을 것이다.
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현재 시판되고 있는 로직 IC의 패밀리를 크게 나눠보면,
(1) 고내압 메탈 게이트 CMOS계
(2) 5V 로직계
(3) 저전압 로직 패밀리
의 세 종류로 나눌 수 있다.
그리고 메탈 게이트 CMOS, 5V 로직계는 이제 구하기 힘들 어지고 있다. 대신 사용되고 있는 저전압 로직 패밀리는 각 사 가 모두 주력하고 있는 제품 패밀리이므로 많은 종류가 있다. 설계 현장에서는 단순히 회로도를 인용하면 되는… 것이 아니며 제조 코스트, 원가계산, 제조난이도와 함께 부품의 입 수성도 고려한 제품 설계가 요구되고 있다.
때문에 풍부한 로직 IC 패밀리 가운데 대체부품까지 고려 한 제품을 선택할 필요가 있지만 많은 종류 중에서 적절한 제 품을 선택하기 위해서는 나름대로의 경험이 필요하다. 여기서는 단지 디바이스의 패밀리에 대해서만 해설한 것이 아니라 용도를 헤아려 패밀리를 선택하는 것을 목적으로 일 반적인 로직 IC의 패밀리에 대해 해설했다. 나도 겨우 30대 가 됐을 뿐이지만 로직 IC를 사용하여 설계한 경험은 20년을 가볍게 넘기고 있다. 미숙한 필자의 지식이 도움이 되기를 바 라는 바이다.
기억해둬야 할 4000/4500 시리즈의 형 번호 현재는 4000/4500 시리즈의 IC를 사용하여 실제 회로를 설계할 기회가 거의 없을 것이라 생각된다. 그러나 대표적인 형 번호에 관해서는 기능이나 구성에 대한 일반적인 호칭으로 되어 있는 경우가 많으므로 기억해 두면 유익할 것이다. 표 A에 4000/4500 시리즈의 주요 형 번호와 그 기능에 관해 정리했다.  |
기억해둬야 할 74 시리즈의 형 번호 74 시리즈는 신규 설계에서도 사용하는 경우가 많다. 특히 버스 버퍼 등은 대표 제품인 8비트 버스 버퍼 74xx245 등으 로 친숙할 것이다. 슈미트 트리거의 인버터(NOT)인 7414도 스위치 입력부 등에는 반드시 필요한 대표 제품이다. 2입력 게 이트의 74xx00(NAND 게이트), 74xx02(NOR),74xx08(AND 게이트), 74xx32(OR 게이트) 등에 관해서는 싱글 게이트 제품으로서 앞으로도 많이 이용될 것이다. 표 B에 74 시리즈의 주요 형 번호를 정리해 보았다.  디지털 회로 분야에서 HDL(Hardware Description Language)에 의한 설계는 이미 상식이 됐다고 할 수 있다. HDL로 작성한 라이브러리에 74 시리즈와 같은 값이 있다면 그 형 번호를 붙여두는 것도 좋을 것이다. |
종래의 74 로직 패밀리, 4000/14000 메탈 게이트 CMOS 패밀리는 14핀 DIP 패키지에서 28핀 스키니 DIP 패키지까 지, 현재의 패키지 모습에서 생각하면 큰 것만 출하되었다. 면적 절감 패키지판이라고 하면 0.65mm 피치 TSOP나 0.5mm 피치 TSSOP, BGA 디바이스 사용을 생각할 수 있 겠지만 그래도 아직 패키지는 크다.
또 여러분도 경험이 있겠지만, 예를 들어 2입력 NAND 게 이트가 들어있는 7400 디바이스에서 1게이트만 사용하고 싶 어도 일단 14핀 패키지를 사용해야 한다는 딜레마도 있다. 이 로써 또 기판의 면적이 압박돼버린다.
그러나 최근에는‘1게이트만 사용하고 싶다’, ‘작은 패키 지는 없을까?’등의 요구가 강해져 복수의 메이커에서 이러 한 요구에 부응하는 제품을 제공할 수 있게 되었다. 여기서는 2개 사에서 제공하고 있는 소형 로직 제품의 패 키지 형상과 대표적인 디바이스를 소개한다.
1. 리틀 로직
텍사스 인스트루먼트의‘리틀 로직’패밀리에 사용되고 있는 패키지를 그림 9에 나타낸다.
4종류의 패키지가 준비되어 있으며 각각의 패키지에는 1~3개의 게이트 로직이 봉지되어 있다.
그림 10(a)에 나타난 1G00은 7400…2입력 NAND 게이트를 바탕으로 1게이트만 봉입되어 있는 제품이다.
패키지도 매우 작은 5핀 타입으로 준비되어 있다.
그림 10(b)에 나타난 3G07은 7407…오픈 드레인 버스 버 퍼의 파생품이며 8핀 패키지에 3게이트가 봉지되어 있다. 패 키지의 I/O 핀을 낭비 없이 사용하기 위해 고안된 형태이다. 유사품으로 7406…오픈 드레인 인버터, 7414…슈미트 트리 거 인버터 인버터의 3게이트 봉지판도 준비되어 있다. 그림 10(c)에 나타난 2G74는 7474…D 타입 플립플롭을 1회로만 봉지한 것이다.
일반적으로 7474는 14핀 패키지 중 2개의 D 플립플롭이 봉지되어 있지만 1회로만 사용하고 싶은 경우에는 이 2G74 가 패키지도 작고 편리하다.
2. L-MOS 패밀리
도시바 세미컨덕터가 판매하고 있는 1게이트 CMOS 패밀 리에서는 5핀, 6핀, 8핀의 소형 TSOP 패키지에 도시바의 74LCX나 74VCX 패밀리와 호환성을 갖는 특성의 게이트 로 직을 봉지한 것이 준비되어 있다.
그림 11에 나타난 TC7PA34FU는 7434…버퍼 기능을 바탕으로 불과 2mm각의 6핀 SSOP 패키지 내에 버퍼 게이트를 2개 봉지한 TC7PA34FU의 핀 배치도이다.
2mm각이라는 매우 작은 패키지에 2게이트를 봉지하고 있 는 것도 놀라운 일인데, 최근 도시바는 더욱 소형 패키지에서 의 게이트 로직 제품도 발표했다.
사진 1은 휴대전화용 초소형 1게이트 CMOS 로직 패밀리의 패키지 외관이다.
이것은 TC7SH 패밀리에서 사용되고 있는 패키지이며 불과 1mm각의 소형 패키지 내에 동 패밀리의 1게이트 CMOS 로직이 봉지되어 있다.
현재, 이 패키지로 제공되고 있는 디바이스는 다음과 같다.
TC7SH00FS…2입력 NAND 게이트
TC7SH02FS…2입력 NOR 게이트
TC7SH04FS…인버터
TC7SH08FS…2입력 AND 게이트
TC7SH14FS…슈미트 인버터
TC7SH32FS…2입력 OR 게이트
TC7SH86FS…2입력 XOR 게이트
유감스럽게도 TC7SH 패밀리에 관해서는 나도 얻어들은 정도밖에 모르지만, 전원전압 2.0~3.6V의 범위에서 CMOS 게이트 로직에 의한 극저소비전류 디바이스라는 점에서 기회 가 있다면 저소비전력 제품에 꼭 사용해보고 싶다.
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여기서 소개한 2개 사 외에도 거의 같은 1게이트 또는 소게 이트 규모의 독자적인 패키지 제품이 준비되어 있다.
그리고 그러한 제품의 라인업은 텍사스 인스트루먼트사의 리틀 로직 패밀리와 같이 74xx 패밀리의 형번으로 쉽게 추측 할 수 있는 형번이 부착되어 있으며 같은 번호라면 기능호환 성이 있으므로 제품선택 시 혼란스러운 일은 없을 것이다. PDA, 휴대전화, 게임 기기, 휴대 오디오 등의 소형제품을 설계할 때, 게이트 소자가 필요하거나 설계한 ASSP 디바이스 의 상태불량을 해소하기 위해 몇 가지의 게이트 로직이 필요 한 경우가 있을 것이다. 그럴 때 여기서 소개한 것과 같은 소 수 게이트/면적 절감의 패키지 디바이스를 능숙하게 사용함으 로써 회로설계의 부담을 감소시킬 수 있을 것이다.
[출처] 트랜지스터로배우는디지털회로Ⅱ|작성자 맥가이심
출처: ICBANK