디지털 상태, 전압 레벨, 로직 패밀리

디지털 디바이스에는 켠 상태와 끈 상태, 둘 중 하나만 있습니다. 이 두 가지 상태만으로 디바이스는 대량의 데이터를 통신하고 다양한 다른 디바이스를 제어할 수 있습니다. 켜짐 및 꺼짐 상태를 이진법으로 표현하면 1 또는 0으로 표시됩니다. 2진수 1은 일반적으로 로직 하이로 간주되고 0은 로직 로우로 간주됩니다.

전압 레벨

디지털 디바이스는 일반적으로 상태가 무한수인 아날로그 디바이스로 구동됩니다. 그렇다면 어떻게 무한수 상태를 단 2가지 상태로 바꿀 수 있을까요? 정답은 전압을 정의하는 전압 로직 레벨을 생성하여 로직 하이 또는 로직 로우를 나타내는 것입니다.

^{그림 1: 전압 레벨은 로직 하이 또는 로우를 나타내는 아날로그 전압을 정의합니다.}

시스템은 선택한 모든 값에서 전압 로직 레벨을 정의할 수 있는데, 많은 회로에서 접지에 5V 또는 3.3V를 더한 경우 로직 하이라고 하고, 접지 또는 0V인 경우를 로직 로우라고 합니다. 이러한 유형의 시스템을 포지티브 하이 또는 액티브 하이라고 합니다. 핀이 어떻게 활성화되는지 설명하며, 액티브 하이 핀의 경우 핀을 고전압에 연결합니다.

네거티브 또는 액티브 로우 시스템은 그 반대입니다. 더 높은 전압은 로직 로우를 나타내고 더 낮은 전압은 로직 하이를 나타냅니다. 액티브 로우 핀의 경우 핀을 접지에 연결하여 낮게 만들어야 합니다. 데이터 시트에는 종종 EN과 같이 핀 이름 위에 라인을 넣어 핀이 액티브 로우임을 명시합니다.

하이와 로우로 지정하긴 하지만 실제로는 대부분의 시스템에서는 보다 실용적인 범위가 있습니다. 예를 들어, 로직 하이가 2V~5V 사이의 값이고 로직 로우는 0V~1V 사이의 모든 값일 수 있습니다. 이 범위를 벗어난 전압은 유효하지 않은 것으로 간주하며 오류 조건일 때 또는 로직 레벨을 전환하는 동안에만 발생합니다.

Z 및 X 상태

디지털 신호는 켠 상태와 끈 상태만 가능하지만 추가 상태를 사용하면 디지털 신호를 수집하고 생성하는 데 도움이 됩니다. 3상태 로직을 사용하면 가능한 세 번째 상태가 있는데, 바로 출력이 라인에서 분리되는 하이 임피던스 상태입니다. 이 상태는 하이 또는 로우가 아니라 플로팅 또는 하이 임피던스 상태라 할 수 있습니다. Z로 지정되며 종종 활성화 라인으로 사용됩니다.

Z 상태는 가장 일반적으로 여러 트랜스미터로 구동할 수 있는 하나 이상의 디지털 라인을 테스트하는 데 사용됩니다. 좋은 예로는 메모리 칩의 데이터 포트를 꼽을 수 있습니다. 컴퓨터에서 메모리 디바이스에 데이터를 쓸 때 컴퓨터는 메모리 칩에 쓸 데이터를 메모리 디바이스의 데이터 핀 (0 또는 1)에서 구동해야 합니다. 나중에 컴퓨터 프로세서에서 메모리의 내용을 읽어야 할 때 메모리 디바이스는 이전에 저장된 데이터 값을 다시 컴퓨터 프로세서로 구동해야 합니다 (보통 데이터 핀의 Z 상태). 

네 번째 상태로는 X로 표시되는 홀드 상태입니다. 디지털 신호를 생성할 때 가능한 상태와 상관없이 디바이스에서 채널을 현재 상태로 유지하려고 할 때 X 상태가 유용할 수 있습니다. 이 상태는 초기 또는 유휴 상태를 설정할 때 유용합니다.

데이터를 수집할 때 X 상태는 상관없음이라고 다르게 지정됩니다. 이 상태는 수집된 디지털 신호를 예상 신호와 비교할 때 유용합니다. 예를 들어, 값이 10개인 신호의 경우 처음 4개 값만 고려할 수 있습니다. 나머지 6개 값에는 X 상태를 사용하여 처음 4개 값만 비교할 수 있습니다.

^{표 1: 디지털 신호는 하이 또는 로우 상태일수 만 있습니다. 그러나 Z 상태와 X 상태는 디지털 신호를 생성하거나 수집하는 사용 분야에 유용할 수 있습니다.}

표준화된 로직 패밀리를 사용하면 회로 및 구성요소를 보다 쉽게 사용할 수 있습니다. 표준화된 로직 패밀리는 로직 하이 또는 로직 로우를 이루는 표준화된 전압 레벨을 제공합니다. 로직 패밀리 내 모든 회로는 같은 특성을 공유하기 때문에 동일한 로직 패밀리 내 다른 회로와 호환됩니다.

단일 종단형 로직 패밀리

단일 종단형 로직 패밀리는 접지와 관련된 전압 레벨을 지정합니다. 4가지 레벨은 다음과 같이 정의됩니다.

• V_OH (출력 상위 레벨 전압) – 생성 전압 상위 레벨이라고도 합니다. 활성 드라이브를 생성하기 위해 설정된 경우 디바이스가 로직 하이를 생성할 때 디바이스에서 생성되는 전압입니다. 오픈 컬렉터를 생성하기 위해 설정된 경우 이 레벨은 데이터 채널을 하이 임피던스 상태로 설정하는 것과 같습니다.
• V_OL (출력 하위 레벨 전압) – 생성 전압 하위 레벨이라고도 합니다. 디바이스가 로직 로우를 생성할 때 디바이스에서 생성되는 전압입니다.
• V_IH (입력 상위 레벨 전압) – 수집 전압 상위 레벨이라고도 합니다. 디바이스가 로직 하이를 읽을 수 있도록 디바이스로 전송해야 하는전압 레벨입니다.
• V_IL (입력 하위 레벨 전압) – 수집 전압 하위 레벨이라고도 합니다. 디바이스가 로직 로우를 읽을 수 있도록 디바이로 전송해야 하는 전압 레벨입니다.

^{그림 2: 단일 종단형 로직 레벨은 출력과 입력에 대해 지정됩니다.}

디바이스와 정확하게 통신하려면 다음 조건이 충족되도록 디지털 디바이스를 설정해야 합니다.

• V_OH≥ DUT V_IH
• V_OL≤ DUT V_IL
• V_IH≤ DUT V_OH
• V_IL≥ DUT V_OL
• V_IH > V_IL

일반적으로 한 디바이스의 출력 전압과 또 다른 디바이스의 입력 사이에는 완충재가 있습니다. 이를 노이즈 마진 또는 노이즈 내성 레벨 (NIM)이라고 합니다. 노이즈가 많은 환경이고 데이터 비트가 정확하지 않아 문제가가 있는 경우 이 값을 높이는 것이 좋습니다.

단일 종단형 로직 패밀리에는 여러 가지가 있습니다. 트랜지스터-트랜지스터 로직 (TTL)은 집적 회로에 매우 일반적으로 이용되며 컴퓨터, 전자 제품, 테스트 장비 등 많은 사용 분야에서 사용됩니다. 바이폴라 트랜지스터로 만든 회로는 스위칭을 실현하고 로직 상태를 유지합니다. 또한 TTL은 특정 전류 스펙과 상승/하강 시간을 충족해야 합니다. 이에 대한 자세한 내용은 TTL 호환 신호의 정의란?에서 확인할 수 있습니다.

^{그림 3: 표준 5V TTL 전압 레벨}

또 다른 일반적인 IC 패밀리는 CMOS입니다. 이러한 디바이스는 노이즈 내성이 높고 전력 소모가 적으며 기본 전압이 더 낮습니다. 대부분의 전압 레벨은 TTL 디바이스와 비슷한데 이는 호환성을 향상하기 위해서입니다. 이렇게 하면 TTL에서 CMOS 디바이스로 쉽게 전환할 수 있지만 다른 방향으로 이동하는 것이 어려워질 수 있습니다. CMOS에 대한 전압이 너무 높으면 칩이 손상될 수 있습니다. 이 경우 전압 분할기를 사용하여 전압을 낮출 수 있습니다.

^{그림 4: 표준 CMOS 전압 레벨}

차동 로직 패밀리

단일 종단형 로직 패밀리는 접지에 설정된 전압 레벨을 사용합니다. 그러나 차동 로직 패밀리는 접지에 대한 참조가 아니라 두 값 사이의 차이를 사용합니다. 차동 신호가 로직 로우로 해석되려면 상보 신호보다 임계값 (VTH)으로 알려진 특정 값 이상으로 작아야 합니다. 신호가 참조되고 함께 전송되기 때문에 단일 종단형 로직 패밀리를 사용하는 것보다 신호에서 더 높은 노이즈 내성을 얻을 수 있습니다. 차동 로직 패밀리의 전압 레벨은 일반적으로 절대 전압이 아닌 차동에서 지정됩니다. 4가지 레벨은 다음과 같이 정의됩니다.

• V_OD (출력 차동 전압) – 신호 간 전압의 차이입니다.
• V_OS (오프셋 전압) – 차동 신호의 공통 모드입니다. 이는 두 신호의 평균이며 접지에 대한 참조입니다.
• V_TH (임계값 전압) – 디바이스에서 유효한 로직 상태를 기록하는 데 필요한 전압의 차이입니다.
• V_RANGE (입력 전압 범위) – 디바이스에서 허용하는 접지에서 참조되는 절대 전압입니다. 

• 전압 로직 레벨은 로직 하이 또는 로직 로우를 나타내는 전압을 정의합니다. 
• 많은 회로에서 접지에 5V 또는 3.3V를 더한 경우 로직 하이라고 하고, 접지 또는 0V인 경우 로직 로우라고 합니다. 이러한 유형의 시스템을 포지티브 하이 또는 액티브 하이라고 합니다. 
• 3상태 로직에서 Z 상태는 하이 임피던스 상태이며 종종 활성화 라인으로 사용됩니다. 
• 디지털 생성에서 X 상태는 현재 로직 레벨을 유지합니다. 디지털 수집에서는 상관없음 상태를 나타냅니다. 
• 로직 패밀리는 로직 하이 또는 로직 로우를 이루는 표준화된 전압 레벨을 제공합니다. 
• TTL은 V_CC= 5V를 기반으로 합니다.
• CMOS는 V_CC= 3.3V를 기반으로 합니다.
• 차동 로직 패밀리는 접지에 대한 참조가 아니라 두 값 간의 차이를 사용합니다.
• LVDS는 V_CC= 3.3V인 저노이즈, 저전력, 저진폭 차동 방식입니다.
• LVPECL 회로는 각 채널 (V_CC= 3 또는 3.3 V)에 한 쌍의 신호 라인이 필요한 ECL 회로의 한 유형입니다.

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