기본 게이트 기능

부품 및 재료

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4011 쿼드 NAND 게이트(Radio Shack 카탈로그 번호 276-2411)

8위치 DIP 스위치(Radio Shack 카탈로그 번호 275-1301)

10세그먼트 막대 그래프 LED(Radio Shack 카탈로그 번호 276-081)

6볼트 배터리 1개

10kΩ 저항기 2개

470Ω 저항 3개

주의! 4011 IC는 CMOS이므로 정전기에 민감합니다!

추가 읽기

전기 회로의 교훈 , 4권, 3장:"논리 게이트"

학습 목표

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"풀다운" 저항기의 목적

게이트의 진리표를 실험적으로 결정하는 방법

논리 게이트를 함께 연결하는 방법

NAND 게이트를 사용하여 다양한 논리 함수를 만드는 방법

기본 게이트 기능 개략도

기본 게이트 기능 그림

실험 지침

시작하려면 그림과 같이 단일 NAND 게이트를 2개의 입력 스위치와 1개의 LED에 연결합니다. 단일 NAND 게이트의 동작을 보여주기 위해 2개의 스위치와 1개의 LED만 필요하기 때문에 처음에는 8-포지션 스위치와 10-세그먼트 LED 막대 그래프의 사용이 과도해 보일 수 있습니다. 그러나 이러한 추가 스위치와 LED가 있어 회로를 확장하는 것이 매우 편리하고 회로 레이아웃을 깨끗하고 컴팩트하게 만드는 데 도움이 됩니다.

4011 에 대한 데이터시트가 있는 것이 좋습니다. 회로를 구축할 때 사용할 수 있는 칩. 위의 그림을 그대로 따르지 마십시오! 데이터시트, 특히 IC 단자를 다른 회로 요소에 연결할 때 "핀아웃" 다이어그램을 읽는 기술을 개발하는 것이 중요합니다. 데이터 시트의 연결 다이어그램은 필수 정보입니다. 여기에 표시된 것은 4011 데이터시트는 다음을 보여줍니다:

브레드보드 그림에서 왼쪽 하단 NAND 게이트를 사용하여 구축한 회로를 보여주었습니다. 핀 #의 1과 2는 입력이고 핀 #3은 출력입니다. 핀 #의 14 및 7은 IC 칩 "V_DD 내부의 모든 4개의 게이트 회로에 DC 전원을 전도합니다. "는 전원 공급 장치(+V)의 양극을 나타내고 "Gnd"는 전원 공급 장치(-V) 또는 접지의 음극을 나타냅니다. 때로는 음의 전원 공급 장치 터미널에 "V_SS 레이블이 지정됩니다. 데이터시트에서 "Gnd" 대신 "을 사용하지만 의미는 동일합니다.

디지털 논리 회로는 연산 증폭기처럼 분할 전원 공급 장치를 사용하지 않습니다. 그러나 연산 증폭기 회로와 마찬가지로 접지는 여전히 모든 전압 측정에 대한 암시적 기준점입니다. 칩의 특정 핀에 존재하는 "하이" 신호에 대해 말하면 해당 핀과 전원 공급 장치(접지)의 음극 사이에 전체 전압이 있음을 의미합니다.

4011 내부에서 사용하지 않는 게이트의 모든 입력이 어떻게 칩은 V_DD에 연결됩니다. 또는 지상. 이것은 실수가 아니라 의도적으로 설계된 행위입니다. 4011년 이후 CMOS 집적 회로이며 CMOS 회로 입력이 연결되지 않은 상태로 유지됩니다(플로팅 )은 근처 물체에서 정전기를 차단함으로써 모든 전압 레벨을 가정할 수 있으며, 입력을 부동 상태로 두는 것은 사용되지 않는 게이트가 "높음" 및 "낮음" 신호의 임의 조합을 수신할 수 있음을 의미합니다.

이러한 게이트를 사용하지 않는 경우 이것이 바람직하지 않은 이유는 무엇입니까? 우리가 그들의 출력으로 아무 것도 하지 않는다면 그들이 받는 신호에 누가 신경을 쓰겠습니까? 문제는 게이트 입력에서 완전히 "높음" 또는 완전히 "낮음"이 아닌 정적 전압 신호가 나타나는 경우 게이트의 내부 트랜지스터가 과도한 전류를 끌어들이는 방식으로 켜지기 시작할 수 있다는 것입니다. 최악의 경우 칩이 손상될 수 있습니다.

기껏해야 과도한 전력 소비를 의미합니다. 이러한 미사용 게이트 입력을 "높음"(V_DD ) 또는 "낮음"(접지), 이 두 위치 중 하나에 연결하는 한. 브레드보드 그림에서는 V_DD에 연결된 모든 상위 입력을 보여줍니다. , 그리고 접지에 연결된 모든 하단 입력(사용하지 않는 게이트의). 이는 전원 공급 장치 레일 구멍이 더 가깝고 긴 점퍼 와이어가 필요하지 않았기 때문에 가능했습니다!

사용하지 않은 게이트는 출력되지 않습니다. V_DD에 연결되었습니다. 또는 지상, 그리고 정당한 이유가 있습니다! 그렇게 하면 게이트가 달성하려는 반대 출력 상태를 가정하도록 강제할 수 있습니다. 이는 단락을 생성했을 것이라고 말하는 복잡한 방식입니다. "높은" 논리 레벨을 출력해야 하는 게이트를 상상해 보십시오(NAND 게이트의 경우 입력 중 하나라도 "낮음"인 경우에 해당됨).

이러한 게이트의 출력 단자가 접지에 직접 연결되는 경우 "하이" 상태에 도달할 수 없습니다(점퍼 와이어 연결을 통해 접지와 전기적으로 공통됨). 대신 상위(P 채널) 출력 트랜지스터가 헛되이 켜져 존재하지 않는 부하에 최대 전류를 공급합니다. 이것은 게이트를 손상시킬 가능성이 매우 높습니다! 게이트 출력 단자는 본질적으로 자체 논리 레벨을 생성하며 CMOS 게이트 입력과 같은 방식으로 "부동"하지 않습니다.

두 개의 10kΩ 저항은 사용된 게이트에서 부동 입력 조건을 피하기 위해 회로에 배치됩니다. 스위치가 닫힌 상태에서 해당 입력은 V_DD에 직접 연결됩니다. 그러므로 "높아"라. 스위치가 열린 상태에서 10kΩ “풀다운 " 저항기는 접지에 대한 저항성 연결을 제공하여 게이트의 입력 단자에서 안전한 "낮음" 상태를 보장합니다. 이렇게 하면 입력이 표유 정전압에 영향을 받지 않습니다.

그림과 같이 두 개의 스위치와 하나의 LED에 연결된 NAND 게이트를 사용하여 NAND 게이트에 대한 "진리표"를 개발할 준비가 된 것입니다. NAND 게이트 진리표가 어떻게 생겼는지 이미 알고 있더라도 이것은 실험에서 좋은 연습입니다. 즉, 유도를 통해 회로의 동작 원리를 발견하는 것입니다. 다음과 같이 종이에 진리표를 그립니다.

“A” 및 "B" 열은 각각 두 개의 입력 스위치를 나타냅니다. 스위치가 켜져 있을 때 상태는 "높음" 또는 1입니다. 스위치가 꺼져 있을 때 상태는 풀다운 저항에 의해 보장되는 "낮음" 또는 0입니다. 물론 게이트의 출력은 켜져 있는지(1) 꺼져 있는지(0) LED로 표시됩니다. 가능한 모든 상태 조합에 스위치를 배치하고 LED 상태를 기록한 후 결과 진리표를 NAND 게이트의 진리표와 비교합니다.

상상할 수 있듯이 이 브레드보드 회로는 NAND 게이트 테스트에만 국한되지 않습니다. 모든 게이트 유형은 2개의 스위치, 2개의 풀다운 저항 및 출력 상태를 나타내는 LED로 테스트할 수 있습니다. 4011 대신 핀 대 핀으로 교체하기 전에 칩의 "핀 배치" 다이어그램을 다시 확인하십시오. . 모든 "쿼드" 게이트 칩에 동일한 핀 할당이 있는 것은 아닙니다!

추가 개선

이 회로를 개선하려면 출력을 나타내기 위해 할당된 하나의 LED 외에 입력 상태를 나타내기 위해 두 개의 LED를 할당해야 합니다. 이렇게 하면 작업을 관찰하는 것이 조금 더 흥미로워지며 true를 표시하여 스위치가 닫히지(또는 열리지 않는지) 나타내는 추가 이점이 있습니다. 스위치 위치에서 입력 상태를 추론하지 않고 게이트에 입력 신호:

관련 워크시트:

<울> <리>

기본 논리 게이트 워크시트