NOR 게이트 SR 래치: 디지털 메모리 구축 및 이해

부품 및 재료

• 4001 쿼드 NOR 게이트 (Radio Shack 카탈로그 # 276-2401)
• 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 2개
• 100Ω 저항 2개

주의! 4001 CMOS IC는 정전기 방전에 매우 민감합니다. 주의해서 다루세요.

참조

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

Lessons In Electric Circuits, Volume 4, chapter 10: "Multivibrators"

학습 목표

• 디지털 회로에서 양의 피드백 영향 이해
• SR 래치의 '무효' 상태 정의
• 레이스 컨디션과 그 의미 설명
• 유효한 하이 CMOS 신호 레벨의 중요성 인식

회로도

삽화

지침

4001은 4011 쿼드 NAND 게이트와 동일한 핀 할당을 가진 CMOS 쿼드 NOR 게이트입니다. 핀아웃은 아래와 같습니다:

두 NOR 게이트가 그림과 같이 교차 연결되면 출력이 입력으로 피드백되어 양의 피드백과 히스테리시스를 생성합니다. 이 피드백은 회로에 단순한 형태의 메모리를 부여합니다: 한번 설정되면 새로운 입력이 변경을 강제할 때까지 상태를 유지합니다.

왼쪽 스위치를 Set, 오른쪽 스위치를 Reset으로 표시하세요. 왼쪽 LED는 Q 출력을, 오른쪽 LED는 Q-not을 나타냅니다. 하이 Set과 로우 Reset은 Q를 하이, Q-not을 로우로 강제합니다(set 상태). 반대로 하이 Reset과 로우 Set은 Q를 로우, Q-not을 하이로 강제합니다(reset 상태). 두 입력이 모두 로우면 래치는 이전 상태를 유지합니다(latched 상태). 두 입력이 모두 하이면 출력이 같은 논리 레벨로 강제되어 상보적 요구사항을 위반하는데, 이를 무효 상태라 부릅니다.

파워업 시 래치 동작을 관찰하려면 두 스위치를 오프 위치(로우 입력)로 설정하고, 배터리 리드 하나를 분리했다가 LED를 보며 빠르게 다시 연결하세요. 회로는 레이스를 합니다: 각 게이트가 상대방을 하이로 구동하려 시도하며, 더 빠른 게이트가 이기고 그 상태가 래치됩니다. 고유한 비대칭성으로 인해 파워업 상태는 종종 일관되지만, 반복 사이클링으로 가끔 반대 상태가 나타나 레이스 컨디션의 예측 불가능성을 보여줍니다.

레이스 컨디션은 실제 시스템에서 문제가 될 수 있습니다. 특히 결함 있거나 느린 게이트가 지속적으로 레이스를 이기면 안정적이지만 잘못된 상태를 유발합니다. 부품 교체가 레이스 결과를 변경하여 추적하기 어려운 미묘한 버그를 초래할 수 있습니다.

예측 불가능한 파워업 상태에 의존하지 않으려면, 설계자는 일반적으로 외부 리셋 또는 셋 메커니즘을 사용하여 시작 시 래치를 알려진 상태로 강제합니다.

교육적 수정으로 470Ω LED 드롭 저항 하나를 100Ω 같은 더 낮은 값으로 교체하세요. 이는 LED 밝기를 높이고 래치의 상태 유지 능력에 영향을 주는 부하 비대칭을 도입합니다. 네 가지 입력 조합 모두로 스위치를 작동하면 두 입력이 모두 로우일 때 래치가 한 상태에서 유지되지 못함을 알 수 있습니다. 하이 게이트의 출력 전압을 전압계로 측정하면 100Ω 부하를 가진 게이트가 다른 NOR 게이트 입력을 구동하는 데 필요한 임계값 아래로 약해진 하이 레벨을 생성함을 보여줍니다. 반면 470Ω 게이트는 회로를 성공적으로 래치하는 더 강한 하이 레벨을 유지합니다.

이 관찰은 로직 프로브로 전압계를 사용하는 것이 왜 바람직한지 강조합니다: 전압계는 정량적 전압 판독을 제공하여 단순한 로직 프로브가 놓칠 수 있는 약한 신호를 드러냅니다. 이는 서로 다른 로직 패밀리(예: TTL vs CMOS)를 혼합할 때 전압 임계값이 크게 다를 수 있어 특히 중요합니다.