XOR 게이트 - 트랜지스터를 이용해 구현

XOR 게이트는 배타적 OR 게이트라고도 합니다. XOR 게이트는 반가산기(Half-Adder), 전가산기(Full-Adder), ALU(산술 논리 장치; Arithmetic Logic Unit)의 뺄셈 기능 및 기타 연산에 흔히 사용되므로 이해하는 것이 중요합니다. 이 글에서는 트랜지스터를 사용하여 브레드보드에 XOR 게이트를 구현하는 두 가지 방법과, NAND/NOR 논리 게이트를 조합한 XOR 게이트를 구현하는 방법을 소개합니다.

이 게이트는 OR 게이트와 유사하지만, 두 입력이 모두 켜져 있을 때 출력이 꺼집니다. 따라서 참인 OR인 경우(true OR cases)에만 작동하는 배타적(Exclusive) OR 게이트라고 합니다.

가장 간단한 설계에서는 트랜지스터 5개만 필요합니다. 하지만 출력을 생성하려면 트랜지스터 6개가 필요합니다.

XOR 게이트는 NAND 게이트로도 구현할 수 있지만, 이 경우 트랜지스터 8개가 필요합니다. NOR 게이트를 사용하면 트랜지스터 10개가 필요합니다. 

 

출처

XOR Gate, Exclusive OR Gate | Built with Transistors

 

 

XOR 게이트 논리 기호 및 진리표

XOR 게이트 논리 기호 및 진리표

위 그림은 XOR 게이트의 기호와 진리표입니다. 이 표를 보면 두 입력이 모두 켜지거나 꺼질 때 출력이 꺼지고, 한 입력만 켜지면 출력이 켜진다는 것을 알 수 있습니다.

 

XOR Gate 1 - 외부 신호 출력이 불가능

XOR Gate 1

위 사진은 트랜지스터 5개를 사용한 간단한 XOR 게이트를 보여줍니다. 회로도에서 입력 A와 B가 모두 켜져 있어 LED가 꺼져 있습니다. 왼쪽에 있는 두 개의 저항이 두 입력 단자입니다. 서로 다른 색깔의 전선을 사용하여 연결을 쉽게 확인할 수 있습니다. 전선 배치가 모호할 경우 회로도를 참조하십시오. 

처음 두 개의 저항이 연결되면 입력 A와 B가 켜집니다. 이제 LED의 방향이 설정되어 회로에 전류가 흐르게 됩니다. 즉, 이 회로는 독립적인 논리 게이트 또는 최종 논리 게이트로 작동할 수 있습니다. 하지만 신호를 다른 곳으로 보내는 용도로는 작동하지 않습니다.

NAND와 OR 게이트가 결합된 XOR 게이트

이 게이트는 왼쪽 두 개의 트랜지스터로 NAND 게이트를, 가운데 트랜지스터로 스위치 기능을, 그리고 마지막 두 개의 트랜지스터로 OR 게이트와 유사한 기능을 수행합니다.

 

회로 흐름

• 회로의 저항은 LED 부분을 제외하면 모두 풀업 저항 역할을 하며 폐쇄 회로가 된 경우 GND가 역할을 하여 모든 전류가 GND 쪽으로 끌려감
• GND는 회로가 연결되어 있을때 (폐쇄 회로)일때 역할을 하고, 회로가 끊긴 경우 GND의 역할을 하지 못함
• 베이스에 일정 전압이 가해져서 Emitter에서 Collector로 흐를 수 있게 되면, Base에서도 Emitter로 전압이 흐를 수 있음

 

A=1, B=1

두 입력이 모두 켜져 있는 상태일 때(=저항이 연결된 상태일 때), 가장 오른쪽 저항에서 흐르는 전류가 왼쪽 접지로 도달하지 못하므로 LED가 꺼져 있습니다. 이는 왼쪽에서 첫 번째 저항(A)으로 흘러야 할 전류가 모두 첫 번째 접지(가장 왼쪽 접지)로 향하기 때문입니다. 이 경우 세 번째 트랜지스터(스위치 역할)의 베이스에 충분한 전압이 공급되지 않아 스위치가 꺼지게 됩니다.

A=1, B=1

 

A=1, B=0 / A=0, B=1

하나의 입력이 켜져 있을 때, 전류는 맨 오른쪽 트랜지스터에서 두 번째 접지로 흐를 수 있습니다. 

A=0, B=1

A=1, B=0

 

A=0, B=0

마지막으로 두 입력이 모두 꺼져 있을 때는, 전류가 OR 게이트 트랜지스터의 베이스로 흐르면서 맨 오른쪽 저항에서 두 번째 접지로 전류가 흐르게 되어 출력이 꺼집니다.

A=0, B=0

XOR 게이트 2 - 신호 출력이 가능

XOR Gate 2

XOR 게이트 2는 첫 번째 XOR 게이트와 매우 유사하지만 (-) 신호를 (+) 신호로 바꾸기 위한 인버터 용도로 회로의 오른쪽에 트랜지스터 하나를 더 추가합니다. 이렇게 하면 전류를 출력으로 보낼 수 있습니다. 모든 경우에 작동하고 트랜지스터도 6개만 필요하므로 이 방식으로 XOR 게이트를 구성하는 것을 권장합니다. 참고로, 이 게이트는 트랜지스터 6개만 사용하며 모든 경우에 작동합니다.

 

XOR Gate 2 회로도

XOR 게이트 2의 회로도는 첫 번째 XOR 게이트와 거의 동일합니다. 다만, 인버터 역할을 하는 트랜지스터가 하나 더 추가되었습니다. 이 경우 LED의 발광 방향이 반전되고 전류가 회로 밖으로 흐르게 됩니다. 이는 출력을 다른 곳으로 보낼 수 있다는 점에서 유리합니다. 일반적으로 출력은 다른 논리 게이트 로 보내져 추가 연산을 수행하는 데 사용됩니다.

 

[참고] 위 회로에서 인버터 부분과 저항 부분에 스위치를 달았을 경우의 회로도

인버터 부분과 저항 부분에 스위치를 달았을 경우의 XOR 회로도

 

트랜지스터가 5개밖에 없었으나 마지막 트랜지스터는 NOT 회로를 위한 역할이므로 NAND IC 칩이 있다면 대신할 수 있습니다. NAND IC칩 회로를 사용해 인버터를 구현한 사진입니다.

 

NAND 게이트로 구성된 XOR 게이트

NAND 게이트로 구성된 XOR 게이트

XOR 게이트 3은 4개의 NAND 게이트를 사용하여 구성됩니다 . 각 NAND 게이트에는 트랜지스터 2개가 필요하므로 이 구성으로 게이트를 만들려면 총 8개의 트랜지스터가 필요합니다. 입력 A와 입력 B는 회로 왼쪽의 첫 번째 두 저항입니다. 현재 두 입력 모두 켜져 있고 출력은 꺼져 있는데, 이는 예상된 결과입니다. 입력을 끄려면 입력 저항을 제거해야 합니다. 저항 값은 2KΩ이며 회로는 5V 배터리 팩으로 전원을 공급받습니다.

 

NAND 게이트를 이용한 XOR 게이트 회로도

NAND 게이트로 구성된 XOR 논리 회로

위 그림은 게이트 레벨 회로도입니다. 이 그림은 NOR 게이트를 구성하기 위해 각 NAND 게이트의 입력과 출력을 어떻게 연결해야 하는지 보여줍니다. 트랜지스터 레벨에서는 접지 연결을 포함한 더 자세한 정보를 확인할 수 있습니다. 회로 설계자들은 논리 게이트에 집적 회로를 사용하는 경우가 많으며, 이 경우에는 상위 레벨 회로도만으로도 충분합니다.

 

NAND 게이트를 이용한 XOR 게이트 회로도

 

위의 회로도는 이 구성의 부품별 세부 정보를 보여줍니다. 브레드보드에 회로를 직접 그려보는 것보다 회로도를 보는 것이 배선을 어떻게 연결해야 하는지 파악하기 더 쉬운 경우가 많습니다. 이 그림은 각 NPN 트랜지스터의 베이스, 이미터, 컬렉터 연결을 보여줍니다. 트랜지스터는 2N2222 또는 2N3904 모델 번호를 사용할 수 있으며, 둘 다 BJT 트랜지스터입니다. 모든 저항은 2kΩ이지만 330Ω에서 2.2kΩ 사이의 값을 사용해도 무방합니다.

 

NOR 게이트로 구성된 XOR 게이트

NOR 게이트로 구성된 XOR 게이트

배타적 논리합(XOR) 게이트 4는 5개의 NOR 게이트를 사용하여 구성됩니다 . 각 NOR 게이트에는 트랜지스터 2개가 필요하므로 총 10개의 트랜지스터가 필요합니다. 따라서 이 게이트는 구현하기 가장 간단한 NOR 게이트는 아닙니다. 대부분의 경우, 컴퓨터나 회로 아키텍처가 NOR 게이트를 기반으로 하지 않는 한 이 게이트는 사용되지 않습니다. 아폴로 유도 컴퓨터가 그 예입니다. 아폴로 유도 컴퓨터 는 두 가지 버전이 있었는데, 첫 번째 버전은 별도의 집적 회로에 4,100개의 NOR 게이트를 사용했고, 이후 버전은 5,600개의 NOR 게이트를 사용했습니다.

NOR 게이트를 이용한 XOR 게이트 회로도

NOR 게이트를 이용한 XOR 게이트 논리 회로도

위 그림은 NOR 게이트를 사용한 게이트 레벨 회로도입니다. 이 그림은 입력 A와 B의 연결 위치와 각 게이트의 출력 위치를 보여줍니다. 각 NOR 게이트의 구성 방식은 자세히 설명되어 있지 않지만, 실제로는 4개의 NAND 게이트를 사용하여 만들 수도 있습니다. 트랜지스터 두 개로 구성된 NAND 게이트를 사용하는 것이 가장 좋은 선택일 가능성이 높습니다.

 

NOR 게이트를 이용한 XOR 게이트 전자 회로도

위 그림은 NOR 게이트 4의 부품별 회로도입니다. 이 회로는 NPN 트랜지스터 10개, 2K 저항 7개, LED 1개를 필요로 합니다. 회로는 5V 전원으로 작동합니다.