풀업 저항

풀업 저항은 셀프 바이어싱 또는 플로팅 디지털 입력을 피하기 위해 사용됩니다. 풀업 저항은 디지털 입력을 올바른 바이어싱 레벨에 연결하고 플로팅 입력에 의해 야기되는 불확실성을 제거합니다. 플로팅 입력은 입력 없음 조건을 생성하고 랜덤 바이어싱을 발생시켜 잘못된 논리나 결정을 유도할 수 있습니다.

 

논리 게이트는 디지털 회로의 기본 구성 요소이며 이들은 외부 회로에 연결된 다수의 입력과 출력을 갖는 복잡한 집적 회로(IC) 및 마이크로컨트롤러 등을 구성합니다. 이러한 논리 입력과 출력은 각각 "0"과 "1" 또는 "LOW"와 "HIGH"인 두 가지 상태만을 가질 수 있습니다. 이러한 논리 상태는 논리 "0"이 0V만큼 그리고 논리 "1"이 +5V만큼 다른 두 가지 전압 레벨을 나타냅니다.

 

이러한 논리 상태는 논리 패밀리의 유형에 따라 상이한 전압 레벨 또는 범위로 구분됩니다. 특정 레벨 미만의 임의의 전압은 "0" 상태로 이어질 수 있고, 반면에 특정 레벨 이상의 임의의 전압은 "1" 상태로 이어질 수 있습니다. 디지털 논리 회로는 이 두 상태만을 기반으로 결정을 내리고, 미분 가능한 논리 레벨을 벗어난 전압은 불확실성으로 이어질 수 있으며 논리 "0"이나 "1"의 상태를 정확하게 감지할 수 없습니다.

 

이러한 조건은 디지털 회로 또는 논리 게이트를 거짓으로 트리거할 수 있습니다. 다음 디지털 회로를 고려하면, 이 디지털 게이트에서 인식 가능한 전압 상태는 논리 "LOW"와 "HIGH"의 경우 각각 0V와 +5V입니다. 디지털 회로의 "X" & "Y" 입력은 각각의 스위치 즉 "a" &"b를 통해 접지 (0V)에 연결됩니다. 스위치 "a"가 근접(ON) 위치에 있을 때 입력 "X"는 논리 "LOW"에 대한 올바른 전압 단계인 접지 (0V)에 연결됩니다. 마찬가지로, 스위치 "b"의 폐쇄는 또한 "LOW" 논리 상태로 이어집니다..

그림 1: 개방 스위치가 있는 디지털 게이트에 대한 입력

 

그러나 스위치 'a'가 열리면(OFF) 전압이 입력 "X"에 연결되어 있지 않으며 예상 상태는 논리 "HIGH"가 됩니다. 그러나 논리 "HIGH"를 달성하려면 입력을 +5V에 연결해야 하는데 여기서는 그렇지 않은 것 같습니다. 입력 "X"는 어떤 전압 레벨에도 효과적으로 연결되지 않았기 때문에 부동 상태라고 합니다. 분명히 이러한 조건으로 인해 입력 "X"가 "LOW" 논리 상태를 갖지만 예상은 "HIGH" 논리 상태를 가질 수 있습니다.

 

결과적으로 출력 "Q"에서 잘못된 결정으로 이어집니다. 또한 이러한 부동 입력은 약간의 간섭이 발생하기 쉬우며 노이즈로 인해 입력 상태가 변경될 수 있습니다. 최악의 경우 상태가 무작위로 이동하거나 진동할 수 있습니다.

그림 2: 스위치가 닫힌 상태에서 디지털 게이트에 대한 입력

 

 

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플로팅 또는 사용되지 않는 입력으로 인한 디지털 회로의 불확실성, 잘못된 트리거링 또는 발진은 회로에 적합한 특정 전압 레벨에 연결하여 방지할 수 있습니다. 입력의 묶음은 사용되지 않은 열린 스위치 상태에서 위에서 볼 수 있는 것과 같이 입력의 다양한 제어 상태에서 논리 상태를 정의합니다.

디지털 회로에서 많은 디지털 게이트 또는 해당 입력은 사용되지 않은 상태로 유지되며 각각 풀업 또는 풀다운을 사용하여 위 또는 아래로 묶어야 합니다. 동일한 로직 상태 또는 조건을 규정하는 사용되지 않는 여러 입력을 단일 풀업 또는 다운 저항을 사용하여 함께 연결할 수 있습니다.

풀업 저항은 "AND" 또는 "NAND" 게이트의 입력을 VCC에 연결하는 데 사용된다. 반면 풀다운 저항은 "OR" 또는 "NOR" 게이트의 입력을 접지에 연결하는 데 사용됩니다.

 

풀업 저항이란?

플로팅 상태가 아닌 입력을 +5V(논리 "HIGH" 전압 레벨)에 연결하여 두 번째 상태가 되는 두 스위치의 경우를 생각해 보십시오. 이제 스위치가 열리면 입력에 논리 "HIGH" 상태가 됩니다. 그러나 스위치를 닫으면 접지(0V)와 +5V가 단락되어 과도한 전류가 흐르게 됩니다. 단락 보호가 없는 경우 디지털 게이트, 입력 및  회로가 활성화될 수 있습니다

 

. 대신 이 문제를 해결하기 위해 입력과 +5V 사이에 풀업 저항이 사용될 수 있습니다. 풀업 저항 값은 풀업 시 입력 전압을 논리 "0"으로 가져올 수 있도록 충분한 전압 강하를 허용하는 방식으로 선택되어야 합니다.

그림 3: 풀업 저항기가 없는 디지털 게이트에 대한 입력

 

풀업 저항기 적용

다음 그림에서는 적절한 풀업 저항을 사용하여 디지털 회로의 각 입력을 풀업합니다. 스위치 중 하나가 열리면(OFF) 각 입력은 이 풀업 저항을 통해 +5V에 연결됩니다. 입력으로 흐르는 전류는 매우 작기 때문에 풀업 저항에서 무시할 수 있는 전압 강하가 발생합니다. 결국, 전체 +5V(거의)가 입력에 인가되어 로직 "HIGH" 상태를 가져옵니다.

그림 4: 풀업 저항기가 있는 디지털 게이트에 대한 입력

 

스위치를 닫으면 입력이 접지(0V)에 효과적으로 연결되고 로직 게이트/회로에 의해 확고한 로직 "LOW" 상태가 감지됩니다. 그러나 이번에는 풀업 저항을 삽입하고 이를 통해 흐르는 전류가 매우 적기 때문에 VCC와 접지가 단락되지 않습니다. 이제 논리 "HIGH" 및 "LOW" 상태 모두 풀업 저항을 사용하여 디지털 회로에서 효과적으로 달성됩니다. 디지털 회로의 출력(Q)은 처음에는 부동 입력으로 인해 오해의 소지가 있었던 입력 상태의 실제 그림을 반영합니다.

 

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풀업 저항 값 계산

 논리 게이트는 작동 전압뿐만 아니라 전류 싱킹 및 소싱 기능도 특징입니다. 논리 상태 "0" 및 "1"을 나타내는 두 개의 별개의 전압 상태 외에도 각 상태에 대한 전압 범위를 정의하는 최대 및 최소 전압이 있습니다. 다음 다이어그램에서 로직 "HIGH" 및 "LOW" 상태에 대한 전압 범위는 중간 상태로 구분되어 표시됩니다.

그림 5: TTL 입력의 논리적 감지 전압 레벨

 

그림에서 볼 때 입력은 로직 "HIGH"로 간주되기 위해 최소 2V를 가져야 하고, 반면에 입력은 로직 "LOW"로 감지되기 위해 0.8V 미만(최대)으로 유지되어야 합니다. 간단히 말해서 TTL 74LS 제품군의 경우 로직 "HIGH" 상태는 2.0V에서 5.0V까지이고 로직 "LOW" 상태는 0.8V에서 0V까지입니다.

 

로직 게이트의 입력과 출력 사이의 전류 흐름은 입력 로직 레벨(예: "0" 또는 "1")에 따라 달라집니다. 로직 "0" 레벨은 전류가 입력에서 로직 "LOW"로 흐를 때 입력을 전류원으로 만듭니다. 반면, 로직 "1"은 입력을 전류 싱크로 만들고 전류는 이제 로직 "HIGH"의 입력으로 흐릅니다. 입력이 로직 "HIGH"에 있을 때 입력은 접지 역할을 하고 전류 흐름은 양수로 간주됩니다(TTL74LS 시리즈의 일반적인 값은 20uA임). 

 

마찬가지로, 로직 "LOW" 상태에서 전류는 TTL 입력에서 흘러나오고 TTL400S 로직 시리즈에 대해 -74uA의 값을 갖는 음수로 간주됩니다.

그림 6: 싱크 또는 소스 역할을 하는 디지털 입력

 

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입력이 하이로 풀링되면 전류 싱크 역할을 하고 양의 전류가 유입됩니다. TTL74S 로직 시리즈는 20uA의 정격 포지티브 전류와 1.2V의 로직 "0"에 대한 최소 전압 임계값을 제공합니다. 풀업 저항을 계산할 때 최소 전압 임계값은 가장 안전한 쪽을 유지하는 데 사용됩니다.

위에서 얻은 저항 값은 최소 3uA 싱크 전류에서 20V의 최대 전압 강하를 보장하는 최대값입니다. 전압은 일반적으로 전압의 상한(+5V에 가까움)에 가깝게 유지되며 이는 풀업 저항 값을 줄임으로써 수행됩니다. 그러나 이러한 근접 마진은 저항 허용 오차 또는 공급 전압의 변화 등으로 인해 쉽게 극복할 수 있습니다. 또한, 전력 손실은 어떤 경우에도 피해야 하는 전류 증가로 인해 낮은 값의 풀업 저항에서 더 많습니다. 풀업 저항에 적합한 저항 값은 10kΩ에서 100kΩ까지입니다.

 

유사한 방식으로, 각 입력에서 풀업 저항을 개별적으로 사용하는 대신 단일 풀업 저항을 사용하여 여러 입력을 함께 연결할 수 있습니다. 이 경우 단일 풀업 저항을 통해 흐르는 전류는 입력 수에 최소 양(싱크) 전류를 곱한 값이 됩니다. 다음 계산에서 5개의 입력이 풀업되는 풀업 저항 값이 결정됩니다.

 

풀다운 저항기

풀업 저항과 마찬가지로 풀다운 저항은 입력을 유효 전압 레벨로 연결합니다. 그러나 풀업 저항과 달리 풀다운 저항은 로직 게이트의 입력을 접지(0V) 또는 로직 "0" 상태로 연결합니다. 입력은 전류원이 되고 풀다운 저항을 통해 접지를 향해 전류를 공급합니다. TTL 로직 게이트에 대한 풀다운 저항의 저항 값은 유사한 CMOS 게이트에 사용되는 저항에 비해 더 중요합니다.

이는 입력이 "LOW" 상태일 때 TTL의 높은 전류 소싱 기능 때문입니다. 풀-다운 저항기의 값은 풀-업 저항기에 대해 상술한 것과 유사한 방식으로 계산될 수 있다. TTL 74LS 로직 시리즈는 로직 "0"으로 감지하기 위해 최대 8.0V가 필요하며 최소 400uA의 소스 전류를 공급할 수 있습니다. 풀다운 저항은 다음과 같이 이러한 매개변수를 사용하여 계산할 수 있습니다.

 

이것은 전압 강하가 로직 "LOW"로 감지될 만큼 입력에서 충분할 수 있도록 하는 최대 풀다운 저항기입니다. 풀다운 저항 값이 더 증가하면 저항기 양단의 전압 강하가 증가하고 전압이 0.8V 이상이면 로직 "HIGH"로 감지됩니다. 좋은 방법은 풀다운 저항에서 최소 0.4V 강하를 유지하는 것입니다.

 

하나의 풀다운 저항기로 여러 개의 미사용 입력을 연결할 수 있습니다. 아래에 10개의 팬인에 대한 샘플 계산이 나와 있습니다.

저항을 사용하지 않고 입력을 풀 다운할 수 있지만 과도한 전류 흐름이나 전력 손실을 방지하기 위해 피하는 경우가 많습니다. 풀다운 저항은 접지를 향해 흐르는 소스 전류를 제한합니다.

 

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오픈 컬렉터 출력

논리 게이트의 출력은 동일하거나 다른 논리 제품군에 속할 수 있는 다른 논리 게이트와 연결됩니다. 출력이 TTL 대 TTL 또는 CMOS-CMOS 등과 같은 동일한 로직 제품군에 연결된 경우 로직 전압 레벨이 일치하여 일관된 결과를 생성합니다. 그러나 두 개의 서로 다른 로직 제품군 간의 연결이 필요하거나 부하를 다른 전압 레벨에 연결해야 하는 경우 오픈 컬렉터 출력이 있는 로직 게이트가 사용됩니다. 논리 게이트는 논리 게이트의 출력에서 오픈 컬렉터 회로로 제조됩니다.

 

그런 다음 오픈 컬렉터 출력은 풀업 저항을 사용하여 원하는 전압 레벨에서 파생됩니다. 로직 게이트의 입력에 연결된 앞서 언급한 풀업 또는 풀다운과 달리 이 풀업은 로직 게이트의 출력에 연결됩니다. 오픈 컬렉터라는 용어는 TTL 장치에 사용되는 반면 CMOS 장치에는 오픈 드레인이라는 용어가 사용됩니다.

 

오픈 컬렉터 또는 오픈 드레인 출력은 출력이 다른 전압 레벨에 연결되거나 일반 논리 출력으로는 불가능할 수 있는 높은 출력 전류를 전달하는 인버터, 드라이버 또는 버퍼에 주로 사용됩니다. 예를 들어, 고전류 LED, 릴레이, DC 및 서보 모터 등을 구동합니다.

 

다음 그림에는 TTL 74LS01의 오픈 컬렉터 출력이 나와 있습니다. 풀업 저항이 없는 경우 로직 게이트의 출력은 "HIGH"일 때 접지에 연결되거나 "LOW"일 때 플로팅되는 것이 중요합니다. 플로팅 상태를 피하려면 오픈 컬렉터 출력의 출력에서 풀업 저항을 사용해야 합니다. 풀업 저항은 트랜지스터가 "OFF"일 때 출력을 "HIGH"로 풀링하고 "ON"으로 전환하면 출력이 "LOW"가 됩니다.

그림 7: TTL 74LS01 오픈 컬렉터 NAND 게이트

 

OPEN-COLLECTOR PULL-UP 저항 값 계산

오픈 컬렉터 풀업 저항의 값은 이를 통해 구동되는 부하와 오픈 컬렉터(트랜지스터)의 전류 싱킹 기능에 따라 달라집니다. 트랜지스터가 "ON" 상태일 때 전류는 트랜지스터를 통해 흐르고 풀업 저항의 값은 트랜지스터의 전류 처리 정격을 초과해서는 안 됩니다. 한편, 트랜지스터가 "OFF" 상태일 때 이 풀업 저항을 통해 부하가 공급됩니다. 이 상태에서 풀업 저항 값은 필요한 부하 전류를 허용해야 합니다.

 

출력 전압 레벨은 로직 "LOW" 또는 "HIGH"로 인식되기 위해 허용 한계 미만으로 유지되어야 합니다. TTL 74LS 로직 제품군 장치의 경우, 최소 "HIGH" 로직 전압은 2.7V이고 최대 "LOW" 로직 전압은 0.5V이다. 요컨대, TTL 74LS 장치의 출력은 0에서 0.5 볼트 사이의 로직 "LOW"와 2.7에서 5.0 볼트 사이의 로직 "HIGH"로 간주됩니다.

 

TTL NAND 오픈 컬렉터(74LS01)의 예로 다음 계산을 고려하십시오.

이것은 전류를 로직 "LOW" 상태에서 최대 전류인 8mA로 제한하는 데 필요한 최소 저항입니다. 유사한 방식으로 외부 부하가 연결되는 풀업 저항 값을 계산할 수 있습니다. 외부 부하는 일반적으로 높은 전압 또는 전류를 필요로 하며 이를 위해 일반적으로 육각 인버터 버퍼가 사용됩니다. TTL 74LS06 육각 인버터 버퍼는 바이어싱에 5V를 사용하지만 오픈 컬렉터는 로직 "LOW" 레벨에서 최대 30볼트 및 최대 40mA 전류를 지원할 수 있습니다.

 

다음 예에서 LED는 24LS74 육각 인버터 버퍼를 사용하여 06V 공급 장치에서 구동됩니다. 이 LED는 10.2V 전압 강하에서 2mA 전류를 필요로 한다. 74LS06 육각 버퍼는 "LOW" 상태를 감지하기 위해 입력에서 최소 0.1V가 필요합니다.

 

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전류 제한 저항 값:

그림 8: 오픈 컬렉터 출력을 사용하여 24V에서 LED 구동

 

AND 로직

오픈 컬렉터 출력은 단일 풀업 저항을 통해 함께 연결할 수 있습니다. 함께 연결된 이러한 오픈 컬렉터 출력은 출력이 AND 게이트에 연결된 것처럼 함께 AND되기 때문에 AND 논리를 형성합니다.

그림 9: AND 게이트 예