디지털 회로의 기본 단위는 논리 게이트입니다. 스위치 두 개가 모두 눌렸을 때만 켜지는 조건, 둘 중 하나만 눌려도 켜지는 조건 같은 판단을 전자회로로 만든 것이 AND, OR, NOT 같은 게이트입니다. 만능기판에서는 74LS00, 74HC00 같은 14핀 로직 IC 하나에 게이트 네 개가 들어 있는 형태로 많이 씁니다. 이 글에서는 기본 게이트와 진리표, 74LS와 74HC의 차이, 논리 레벨, 쓰지 않는 입력과 게이트를 처리하는 방법을 정리합니다.
기본 게이트 여섯 가지
| 게이트 | 동작 | A=0, B=0 | A=0, B=1 | A=1, B=0 | A=1, B=1 |
|---|---|---|---|---|---|
| AND | 둘 다 1이면 1 | 0 | 0 | 0 | 1 |
| OR | 하나라도 1이면 1 | 0 | 1 | 1 | 1 |
| NAND | AND의 반대 | 1 | 1 | 1 | 0 |
| NOR | OR의 반대 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| XOR | 서로 다르면 1 | 0 | 1 | 1 | 0 |
NOT(인버터)은 입력이 하나인 게이트로 입력이 0이면 1, 1이면 0을 냅니다.
NAND와 NOR는 "보편 게이트"라서 이것만으로 모든 논리를 만들 수 있습니다. 예를 들어 NAND의 두 입력을 묶으면 NOT, NAND 뒤에 NOT을 붙이면 AND가 됩니다. 그래서 74LS00(NAND 네 개) 하나로 여러 실험을 할 수 있습니다.
논리 레벨
디지털 회로는 전압을 0과 1 두 구간으로 나눠 해석합니다.
| 항목 | 74LS (TTL) | 74HC (CMOS) |
|---|---|---|
| 전원 | 5V (4.75 ~ 5.25V) | 2 ~ 6V |
| 입력 Low로 인식 | 0.8V 이하 | 전원의 약 30% 이하 |
| 입력 High로 인식 | 2.0V 이상 | 전원의 약 70% 이상 |
| 출력 Low | 0.5V 이하(전류 8mA까지) | 거의 0V |
| 출력 High | 2.7V 이상(전류 0.4mA까지) | 거의 전원 전압 |
| 입력 특성 | 입력에서 약간 전류가 흐름 | 입력이 매우 높은 임피던스(정전기 주의) |
| 소비 전력 | 상대적으로 큼 | 매우 작음 |
74LS는 반드시 5V ±5%에서 쓰세요. 전원이 3.3V이면 정상 동작이 보장되지 않습니다. 74HC는 3.3V에서도 쓸 수 있습니다.
출력으로 LED 켜기
74LS 계열 출력은 Low로 당기는 능력(8mA)이 High로 내보내는 능력(0.4mA)보다 훨씬 큽니다. 그래서 LED는 +5V와 출력 핀 사이에 저항과 직렬로 달고, 출력이 Low일 때 켜지게 하는 것이 일반적입니다. 반대로 74HC는 양방향이 비슷하지만 약 4mA 정도로 전류가 작으니 LED 전류를 낮추거나 트랜지스터를 쓰세요(트랜지스터 스위치 회로).
쓰지 않는 입력과 게이트
입력 핀은 절대 떠 있게 두면 안 됩니다. 특히 CMOS(74HC, CD4000)는 입력이 떠 있으면 중간 전압에서 흔들리며 전류가 늘고 오동작합니다. TTL(74LS)은 떠 있으면 High로 읽히지만 잡음에 매우 약하니 역시 처리해야 합니다.
- AND, NAND의 남는 입력: +V에 연결합니다(필요하면 1kΩ ~ 10kΩ을 거쳐). 또는 사용 중인 다른 입력과 함께 묶습니다.
- OR, NOR의 남는 입력: GND에 연결합니다.
- 쓰지 않는 게이트: 입력을 확실한 레벨에 묶어 두고 출력은 비웁니다. 입력을 방치하면 불필요하게 스위칭해 전류를 낭비합니다.
- 같은 신호가 여러 입력에 필요하면 입력 핀을 서로 묶습니다.
74LS00 핀 배치
14핀 NAND 4개 IC의 핀 구성은 다음과 같습니다. 대부분의 쿼드 게이트(74LS08 AND, 74LS32 OR 등)가 같은 위치를 씁니다.
| 핀 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 신호 | 1A | 1B | 1Y | 2A | 2B | 2Y | GND |
| 핀 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 신호 | 3Y | 3A | 3B | 4Y | 4A | 4B | VCC |
A, B는 입력이고 Y가 출력입니다. 14번이 +V, 7번이 GND인 것에 주의하세요. 게이트 종류에 따라 핀 배치가 다른 IC(74LS02 NOR 등)도 있으니 데이터시트를 확인합니다(DIP IC 핀 번호 읽기, 데이터시트 읽는 법).
전원과 배치 요령
- 모든 IC의 전원 핀에 100nF을 가까이 답니다. 디지털 IC는 스위칭할 때 순간 전류가 크므로 효과가 큽니다(전원 레일과 접지 설계).
- 74LS와 74HC를 섞을 때는 74LS 출력(High 최소 2.7V)이 74HC 입력(5V 전원이면 3.5V 이상 필요)을 만족시키지 못할 수 있습니다. 이런 경우 풀업 저항을 달거나 74HCT(TTL 호환) 제품을 쓰세요.
- 스위치 입력에는 풀업·풀다운과 디바운스를 잊지 마세요(택트 스위치와 풀업·풀다운 저항).
패턴도에서 확인하기
패턴도의 내장 IC에는 74LS00(NAND), 74LS02(NOR), 74LS04(NOT), 74LS08(AND), 74LS32(OR), 74LS86(XOR), 74HC00, CD4011 같은 게이트 IC가 있습니다. 스위치 두 개를 입력에 달고 LED를 출력에 달아 진리표대로 동작하는지 시뮬레이션으로 확인해 보세요. 조합한 예는 74LS90 + 74LS47 + FND로 숫자 카운터 만들기에 있습니다.
정리
게이트는 AND·OR·NAND·NOR·XOR·NOT이 기본이고 NAND만으로 모두 만들 수 있습니다. 74LS는 5V 전용이고 출력으로 LED를 구동할 때는 Low 출력으로 당기는 쪽이 유리합니다. 입력은 절대 떠 있게 두지 말고, 쓰지 않는 입력은 AND·NAND는 +V에, OR·NOR는 GND에 연결하세요.