4011 IC로 기본 NAND 게이트 회로 설계 및 검증

부품 및 재료

• 4011 쿼드 NAND 게이트 (Radio Shack 카탈로그 # 276-2411)
• 8위치 DIP 스위치 (Radio Shack 카탈로그 # 275-1301)
• 10세그먼트 바 그래프 LED (Radio Shack 카탈로그 # 276-081)
• 6볼트 배터리 1개
• 10kΩ 저항 2개
• 470Ω 저항 3개

주의! 4011 IC는 CMOS이며 정전기 방전에 매우 민감합니다. 정전기 방지 예방조치와 함께 취급하세요.

추가 참고 자료

Lessons In Electric Circuits, Volume 4, chapter 3: "Logic Gates."

학습 목표

• 풀다운 저항의 역할 이해
• 실험을 통해 게이트의 진리표 결정
• 논리 게이트 상호 연결 방법 학습
• NAND 게이트로 다양한 논리 함수 설계

기본 게이트 기능 회로도

기본 게이트 기능 삽화

실험 지침

회로도에 표시된 대로 단일 NAND 게이트를 두 입력 스위치와 하나의 LED에 배선하여 시작하세요. 8위치 스위치와 10세그먼트 LED는 처음엔 과해 보일 수 있지만, 손쉬운 확장과 깔끔한 레이아웃을 가능하게 합니다.

항상 4011 데이터시트를 가까이 두세요. 핀아웃 다이어그램 읽기는 올바른 연결에 필수적입니다. 아래는 공식 데이터시트에서 파생된 간소화된 핀아웃 참조입니다:

브레드보드 삽화에서 왼쪽 아래 NAND 게이트를 사용합니다: 핀 1과 2가 입력, 핀 3이 출력입니다. 핀 14와 7이 V_DD(양전압)와 GND(접지)를 공급합니다. 일부 데이터시트는 음 레벨을 V_SS로 표시하기도 하는데, 기능적으로 동일합니다.

오피앰프와 달리 디지털 로직 IC는 단일 접지 참조를 사용합니다. '하이' 신호는 핀이 접지 대비 V_DD에 있음을 의미하고, '로우' 신호는 GND에 있음을 의미합니다.

사용하지 않는 모든 게이트 입력은 V_DD 또는 GND에 연결됩니다. 플로팅 상태로 두면 정전기 전하가 내부 트랜지스터를 미정의 상태로 강제하여 과전류 소모나 손상을 일으킬 수 있습니다. 접지하거나 하이 풀업으로 충분하며, 선택은 브레드보드에서 더 접근하기 쉬운 레일에 따라 달라집니다.

사용하지 않는 게이트 출력을 어떤 전원 레일에도 연결하지 마세요. 출력을 고정 레벨로 강제하면 게이트가 쇼트되어 칩을 파괴할 수 있습니다. 출력은 스스로 생성되며 자유롭게 스윙할 수 있어야 합니다.

두 개의 10kΩ 저항은 풀다운 장치 역할을 합니다. 스위치가 열리면 저항이 입력을 GND로 끌어내려 깨끗한 '로우' 상태를 보장합니다. 스위치가 닫히면 입력이 직접 V_DD로 구동되어 '하이' 상태가 됩니다. 이는 정전기로 인한 입력 플로팅을 방지합니다.

회로 조립 후 NAND 게이트의 진리표를 실험적으로 매핑할 수 있습니다. 스위치를 가능한 모든 상태에 놓고 LED 점등 여부를 기록하세요. 결과를 다음과 같이 시트에 기록하세요:

'A'와 'B' 열은 두 입력 스위치를 나타내며, 닫힌 스위치는 논리 '1', 열린 스위치(풀다운)는 논리 '0'을 나타냅니다. LED 상태는 게이트 출력을 보여줍니다. 네 가지 조합을 모두 완료한 후 표준 NAND 진리표와 비교하세요.

이 설정은 4011 NAND 게이트용으로 조정되었지만, 올바른 핀아웃 다이어그램을 참조하면 같은 2스위치, 2풀다운, LED 방식이 모든 쿼드 로직 IC에 적용됩니다. IC 패밀리마다 핀 할당이 다름을 기억하세요.

추가 개선

명확성을 위해 실제 입력 레벨을 표시하는 LED를 추가하세요. 이렇게 하면 스위치 위치에서 추론하지 않고도 스위치가 제대로 닫히거나 열렸는지 확인할 수 있습니다:

관련 워크시트:

• Basic Logic Gates Worksheet