브레드보드 실습: IC 칩 사용하기 (NAND 게이트 HD74LS00P)

집적회로(IC: Integrated Circuit)는 트랜지스터, 저항, 콘덴서 등 수많은 전자 부품을 얇은 실리콘 기판 위에 미세하게 설계하고 연결하여 하나의 칩으로 만든 핵심 부품입니다. 흔히 '반도체 칩' 또는 '마이크로칩'으로 불리며, 전자기기의 크기를 줄이고 성능과 신뢰성을 획기적으로 향상시킨 기술입니다. IC는 현대 전자기기(스마트폰, 컴퓨터, 가전제품)에 없어서는 안 될 심장 역할을 하며, 현대 산업의 혁명을 가져온 기술입니다.

 

HD74LS00P

HD74LS00P는 디지털 논리 회로에서 가장 기본이 되는 2입력 NAND 게이트 4개가 들어있는 반도체 소자(IC)입니다. 쿼드(Quad) 2입력 NAND 게이트: 하나의 칩 안에 2개의 입력을 받는 NAND 게이트 4개가 독립적으로 구성되어 있습니다.

• 작동 전압: 일반적으로 5V(4.75V ~ 5.25V) 직류 전원을 사용합니다.
• 패키지 형태 (P): 14핀 DIP(Dual In-line Package) 타입으로, 구멍이 뚫린 기판(만능 기판 등)에 직접 꽂아 쓸 수 있는 형태입니다.

 

브레드보드에 연결 방법

먼저 데이터시트(datasheet)를 검색해 핀 번호의 역할에 대해 조사합니다.

데이터시트(Datasheet)는 제품(특히 반도체나 전자 부품)의 성능, 사양, 사용법 등을 정리한 공식 기술 문서입니다. 쉽게 말해 제품의 '종합 설명서'이자 '성능 보증서'라고 할 수 있습니다.

A, B는 입력 단자이고 Y는 출력 단자입니다. GND, VCC는 전원 연결 부분입니다. 칩을 보면 홈이 파져 있는 부분이 있는데 그 홈 부분과 데이터시트의 홈 부분을 맞춰 핀 번호를 읽습니다.

 

기본 게이트 연결하기

1. 핀 구성 (1번 NAND 게이트)

HD74LS00은 NAND 게이트가 4개 들어있는 IC이고, 그 중 하나의 게이트를 살펴보면

• 1번 핀 → 입력 A
• 2번 핀 → 입력 B
• 3번 핀 → 출력 Y

Y = A NAND B 입니다.

 

2. 기본 연결 (브레드보드)

먼저 전원 핀부터 연결합니다. 필수로, 연결하지 않으면 작동하지 않습니다.

• 14번 핀 → +5V (TTL IC이기 때문에 반드시 5V 사용)
• 7번 핀 → GND

 

3. LED로 출력 확인

출력 상태를 보기 위해 LED 연결하여 테스트합니다. 스위치 or 점퍼선으로

• +5V 연결 → HIGH (1)
• GND 연결 → LOW (0)

주의: 입력 신호를 LOW로 만드려면 반드시 GND에 연결된 상태여야 합니다. GND 연결이 되어있지 않은 경우 이른바 '공중부양' 현상이 일어나 회로가 제대로 동작하지 않게 됩니다. 모든 입력에 기본값으로 10kΩ 저항으로 GND에 연결하여 LOW 상태가 되도록 합니다. 

입력 핀 공중부양
입력(1,2번 핀)을 아무데도 연결 안 하면 오동작하는 현상입니다. 반드시 HIGH 또는 LOW로 고정해야 합니다.

 

브레드보드 NAND 기본 동작 (1~3번핀 사용)

• 버튼이 눌리지 않았을 때는 기본적으로 저항 및 GND 방향으로 전류가 흘러 LOW 효과를 유지하다가, 버튼을 누르면 저항이 낮은 (+) 전원 레일과 연결되어 HIGH 상태가 됩니다.
• LED는 3번 핀에 저항을 추가한 뒤, LED의 (+)극 방향을 저항과 연결합니다. 반대쪽 (-)극은 GND와 연결합니다.
• 각 버튼을 누르면 NAND 연산을 하고, 그 결과가 LED에 출력됩니다.

 

HD74LS00P 칩만으로 AND 게이트 만들기

NAND, NOR는 범용 논리 게이트로, 이 게이트만을 사용하여 다른 논리 게이트를 만들어낼 수 있습니다. 예를 들어 AND는 NAND 게이트를 2개 연결하여 만들 수 있습니다.

AND 게이트 (NAND 게이트 2개 사용)

 

NAND 게이트 1의 출력이 NAND 게이트 2의 입력으로 연결되는 매우 간단한 구성입니다. NAND 게이트 1의 출력 결과를 모두 NAND 게이트 2로 입력하면 NOT을 한 것과 동일한 효과가 되어 NAND의 NOT인 AND가 되는 것입니다.

• NAND1의 출력값이 0인 경우, NAND2(0, 0) 은 1이 출력됩니다.
• NAND1의 출력값이 1인 경우, NAND2(1, 1) 은 0이 출력됩니다.

 

기존 3번핀의 LED 부분 연결을 제거한 뒤 4번(2A), 5(2B)번핀에 입력하고 출력 부분인 6번(2Y)를 LED 부분으로 연결하면 됩니다.

브레드보드 AND

 

HD74LS00P 칩만으로 XOR 게이트 만들기

XOR 게이트 (NAND 게이트 4개 사용)

칩 내부에는 4개의 NAND 게이트가 있고, 위의 논리 회로도와 같이 4개의 NAND게이트로 XOR 게이트를 만들 수 있으므로 칩 하나만으로 XOR를 만들 수 있습니다.

• 입력 신호는 두 갈래로 전송되어야 합니다. 선을 두 개 연결해서 하나는 NAND1, 다른 NAND2/3의 입력부로 동시 전송될 수 있도록 합니다.
• NAND2, NAND3의 나머지 입력 신호는 NAND1의 연산 결과를 배분합니다.
• NAND2, NAND3의 출력 결과를 각각 NAND4의 입력부로 전송합니다. 
• NAND4의 출력 결과 Y는 A XOR B가 됩니다.

논리식으로 정리하는 과정

 

위의 회로도를 IC칩을 사용해 브레드보드에 연결하면 다음과 같습니다.

브레드보드 XOR

 

[응용] HD74LS00P 칩 2개로 반가산기 (Half Adder) 만들기

반가산기는 트랜지스터를 사용하여 2까지의 값을 더할 수 있는 논리 게이트를 구성합니다. 입력 A와 B는 두 개의 입력입니다. 이 입력값들은 XOR 게이트 와 AND 게이트로 전달됩니다 . 출력 비트는 합 비트와 올림 비트 두 개입니다. 이것이 반가산기를 구성하는 가장 간단한 방법입니다

 

반가산기 진리표

진리표를 보면 입력에 따라 출력이 어떻게 되어야 하는지 명확히 알 수 있습니다. 두 입력이 모두 꺼져 있으면 두 출력도 모두 꺼져 있습니다. 한 입력이 켜져 있으면 합 비트가 켜져 출력은 01이 되며, 이는 이진수로 1에 해당합니다. 마지막으로 두 입력이 모두 켜져 있으면 캐리 출력과 합 비트가 모두 켜져 출력은 10이 되며, 이는 2진수로 2에 해당합니다.

 

번가산기 회로도

위 그림은 반가산기의 논리 게이트 레벨 회로도를 보여줍니다. 이 그림을 통해 각 논리 게이트에 어떤 입력이 들어가야 하는지 명확하게 알 수 있습니다. XOR 게이트와 AND 게이트는 모두 입력 A와 B를 받습니다. XOR 게이트의 출력은 합 비트이고, AND 게이트의 출력은 올림 비트입니다.

 

회로 만들기

앞의 예에서 AND 회로와 XOR 회로를 IC 칩만으로 만들었으므로, 이것을 그대로 사용하면 됩니다. XOR를 만들기 위해 NAND 게이트 4개가 필요하므로 칩 한개가 필요합니다. 따라서 AND용 칩, XOR 칩 두 개가 필요합니다.

브레브보드 반가산기 (IC칩 사용)