사이리스터 - 사이리스터란?

사이리스터란 p-n-p-n접합의 4층 구조 반도체 소자의 총칭으로서, 역저지 사이리스터, 역도통 사이리스터, 트라이액이 있습니다. 그러나 일반적으로는 SCR(Silicon-Controlled Rectifier Thyristor)이라고 불리는 역저지 3단자 사이리스터를 가리키며, 실리콘 제어 정류소자를 말합니다. 

사이리스터는 3개이상의 P-N접합을 1개의 반도체 기판 내에 형성함으로서 전류가 흐르지 않는 오프 상태와 전류가 흐 를 수 있는 온 상태의 2개의 안정된 상태가 있고, 또한 오프 상태에서 온 상태로 또는 온 상태에서 오프 상태로 이행이 가능한 반도체 소자입니다. 사이리스터는 일반적으로 전력용 트랜지스터에 비해 고내압에서 우수한 특성을 나타냅니다. 

사이리스터 중에는 다음과 같은 SCR이나 다이액, 트라이액이라고 부르고 있는 것이 있습니다. 일반적으로 사용되는 SCR이나 다이액, 트라이액이라는 명칭은 실제는 상품명으로 정식적인 호칭은 아닙니다. 

SCR - 3극 단방향 사이리스터 
다이액 - 2극 쌍방향 사이리스터 
트라이액 - 3극 쌍방향 사이리스터
 
  사이리스터의 장점
가. 고전압 대전류의 제어가 용이하다.
나. 제어이득이 높고, 게이트 신호가 소멸하여도 온 상태를 유지할 수 있다.
다. 수명은 반영구적으로 신뢰성이 높다. 또 써지 전압 전류에도 강하다.
라. 소형, 경량으로 기기나 장치에의 설치가 용이하다.
 
이러한 장점을 갖고 있는 사이리스터는 가전제품, OA기기, 산업용 기기 등의 전력제어 분야에서 널리 사용되고 있으며, 수십A이하의 중,소 전력 사이리스터만도 여러가지가 있습니다.
  사이리스터의 종류 및 구조
SCR 사이리스터
아래 그림에서 A, K, G는 각각 애노드(anode), 캐소드(cathode), 게이트(gate)를 나타내고, 전류는 항상 애노드에서 캐소드로 흐릅니다.
GTO 사이리스터(Gate-Turn-Off Thyristor)(3단자 턴오프 사이리스터)
GTO사이리스터의 각 단자의 명칭은 SCR 사이리스터와 같고, 전류는 항상 애노드에서 캐소드로 흐릅니다. 

게이트에 양(+)전류를 흘리면 ON되고, (-)전류를 흘리면 OFF되는 SCR이며, SCR 사이리스터와 달리 음의 게이트 전류 펄스에 의하여 턴 오프가 가능하며, 일단 오프되면 게이트 전류 없이도 오프 상태를 유지하는 트리거 오프(trigger off) 기능을 가집니다.
 
SCR 사이리스터의 회로도 기호
다이액(Diac)
다이액은 위의 그림에 나타난 바와 같이 PNPN반도체 층이 양방향으로 결합되어, 양방향으로 전류를 흘릴 수 있는 2단자 소자입니다. 캐소드가 없는 대신에 애노드1과 애노드2가 있습니다. 다이액은 두 단자의 극성에 상관없이 다이액 양단의 전압이 일정 전압(브레이크오버 전압이라고 합니다)에 도달하면 도통되고, 전류가 유지전류 이하로 떨어지면 단락됩니다. 도통된 다이액의 전류방향은 인가된 전압에 극성에 따라 결정됩니다.
 
트라이액(Triac)
트라이액은 3단자 교류 스위치의 약어로 이를 개발한 GE社의 상품명에서 기인하여 지금까지 사용되고 있지만 쌍방향 3단자 제어 정류소자로도 불립니다.
SCR의 응용분야
SCR은 계전기 제어, 시간지연 회로, 모터 제어, 전압 조정, 축전지 충전기, 위상제어 등을 포함한 많은 응용분아에 사용되고 있습니다. 최근의 SCR은 1800V, 2000A와같이 높은 정격 전압과 정격 전류로 10MW 정도의 높은 전력을 제어하도록 설계되고 있습니다. 또한 응용주파수 범위는 약 50Khz로 확장되어 유도가열이나 초음파 세척기와 같은 고주파용으로도 많이 응용되고 있습니다.


코일과 트랜스

코일과 트랜스
코일이란 동선과 같은 선재(線材)를 나선 모양으로 감은 것입니다. 

코일의 성질 정도를 나타내는 단위로 헨리(Henry:H)가 사용됩니다. 선재를 감으면 감을수록 코일의 성질이 강해지며 헨리의 값도 커집니다. 코일은 내부에 아무것도 넣지 않은 공심으로 하는 것보다 철심에 감거나 코어라 부르는 철분말을 응고시킨 것에 감는 편이 보다 큰 헨리값이 얻어집니다. 통상 전기회로에서 사용하는 코일은 마이크로 헨리(μH)부터 헨리(H)까지 폭넓게 사용됩니다. 

코일을 인턱터(Inductor) 또는 인덕턴스(Inductance)라고 하는 경우가 있습니다(엄격히 말해서, 인덕턴스라고 하는 것은 코일 성분의 정도를 나타내는 것이며, 부품 그 자체를 나타내는 말은 아닙니다). 
코일에 교류전류가 흐른 경우, 코일에 발생하는 자속이 변화합니다. 
 그 코일에 다른 코일을 가까이 했을 경우, 상호유도작용(Mutual Induction)에 의해, 접근시킨 코일에 교류전압이 발생합니다. 
이 상호유도작용의 정도를 상호 인덕턴스(단위는 헨리:H)로 표시합니다. 

코일이 하나만 있는 경우에도 자신이 발생하는 자속의 변화가 자신에게 영향을 줍니다. 
이것을 자기유도작용이라고 하며, 그 정도를 자기 인덕턴스(Self Inductance)로 나타냅니다. 

헨리의 정의는 어떤 코일에 매초 1A의 비율(1A/s)로 전류가 변화할 때, 다른 쪽의 코일에 1V의 기전력을 유도하는 두 코일간의 상호 인덕턴스를 1헨리(H)로 한다고 되어 있습니다. 
자기 인덕턴스의 경우는 전류의 변화율이 1A/s일 때 1V의 기전력을 발생하는 경우의 자기 인덕턴스를 1H로 한다고 되어 있습니다.
  코일의 성질
선재를 나선 모양으로 감으면 원래의 선재가 지닌 특성과는 전혀 다른 여러 가지 특성이 나오게 됩니다. 
여러 특성 가운데서 몇가지 주요 특성에 대해 살펴보면 다음과 같습니다.
(1)전류의 변화를 안정시키려고 하는 성질이 있다
 전류가 흐를려고 하면 코일은 전류를 흘리지 않으려고 하며, 전류가 감소하면 계속 흘릴려고 하는 성질입니다. 이것을 "렌츠의 법칙"이라 부르는데, 전자유도작용에 의해 회로에 발생하는 유도전류는 항상 유도작용을 일으키는 자속의 변화를 방해하는 방향으로 흐른다는 것입니다. 

이 성질을 이용하여 교류로부터 직류로 변환하는 전원의 평활회로에 사용됩니다. 교류를 정류기에 의해 직류로 변환한 경우, 그대로는 맥류(리플:Ripple)라고 하여 교류성분이 많은 직류이며 완전한 직류가 아닙니다. 
플러스의 직류로 정류한 경우, 마이너스 전압성분은 없어지지만, 0V와 플러스 전압을 왕래하고 있습니다. 평활회로는 콘덴서와 코일을 조합한 회로를 사용하면 코일이 전류의 변화를 저지하려는 작용을 하고, 콘덴서가 입력전압이 0V로 되어도 축적한 전기를 그때 토출하기 때문에 안정한 직류를 얻을 수 있습니다. 

간단한 평활회로에서는 코일 대신에 저항기를 사용하여, 콘덴서의 평활 기능만 이용하는 경우도 있습니다.
 
(2)상호유도작용이 있다
 이것은 앞에서도 언급했지만, 두 코일을 가까이 하면 한쪽 코일의 전력을 다른 쪽 코일에 전달할 수 있다는 것입니다. 이 성질을 이용한 것이 트랜스입니다. 전력을 공급하는 쪽의 코일(입력)을 1차측, 전력을 꺼내는 쪽(출력)을 2차측이라고 합니다. 1차측 권수와 2차측 권수의 비율에 따라 2차측의 전압이 변화합니다. 전원트랜스 등은 2차측에서 권선의 도중에 선을 내어(tap이라고 한다) 복수의 전압을 얻을 수 있도록 한 것이 많습니다.
 
(3)전자석의 성질이 있다
 전류가 흐르면 철이나 니켈등의 자성체를 흡착하는 성질을 말합니다. 이 성질을 이용한 것으로 계전기(릴레이)가 있습니다. 전류가 흐를 때에 철판을 끌어당겨 철판에 부착된 스위치를 닫도록 하는 것입니다.
 
(4)공진하는 성질이 있다
 코일과 콘덴서를 조합하면 어떤 주파수의 교류전류가 흐르지 않거나, 쉽게 흐르기도 합니다. 라디오의 방송국을 선택하는 튜너는 이 성질을 이용하여 특정한 주파수만을 선택하고 있는 것입니다.
 
  코일의 종류
  분류  명칭  기능 및 용도
  코 일 인덕터초크코일고주파에 대하여 저항 작용을 하고픈 고주파를 감쇠시키는데도 사용한다.
용도 : 고주파 필터.
고주파 동조 코일 IFT코일과 콘덴서를 병렬 접속하고 어느 특정 주파수에 동조하여 신호를 추출하기 위해 사용한다.
용도 : TV나 라디오의 동조 회로등.
바 안테나동조용이지만 내부에 코어를 삽입하고 특히 길게 하여 안테나와 동등의 특성을 갖게 한 것으로 휴대용 라디오의 안테나로 사용되고 있다.
전원용 초크저주파에 대해서도 특히 큰 저항을 나타내도록 하여 전원 노이즈 방지용의 필터나 평활 회로의 필터에 사용한다.
  트랜스전원 트랜스여러가지 코일을 동일한 철심에 감은 것으로 전압의 변환 기능을 갖는다.이것을 이용하여 전압 을 높이거나 낮추는데 사용한다.
스위칭 
전원용 트랜스
전원용 트랜스와 동일이지만 주파수가 높기 때문에 소형으로 효율이 좋은 코어를 사용하고 있다.
오디오용 트랜스트랜지스터 회로등으로 임피던스가 크게 다른 경우 전달 로스를 적게 하기 위해 임피던스 변환용으로 쓰여지는 트랜스로 최근에는 회로의 발전으로 많이 쓰여지지 않게 ?다.
  회로도 기호
회로도에 쓰여지는 기호는 아래와 같은 것이 쓰여지지만 다소 다른 형태도 있습니다. 

    회로도 기호    약호    명칭    기능
        RFC    초크 코일    고주파 저지용 코일,  필터용 코일
        L    동조 코일 IFT    고주파 동조 용,  속칭 FCZ 코일
        TR    전원 트랜스    전원 전압 변환용
 
고주파 초크 코일(RFC)
단순한 고주파 필터용 코일입니다. 종류는 하기 다양한 형태의 것이 있으나 단순한 코일로서 용량 범위는 수 μH ~ 수 mH 까지 있습니다. 수 μH 이하에서는 공심 인 것도 있지만 통상은 코어가 사용되고 있습니다.
고주파 동조용 코일
고주파 회로의 전달시 효율을 좋게할 목적으로 쓰여지는 코일입니다. 주로 사용되는 것에는 FCZ코일 이라고 불리는 것이 있으며 좌측 사진에서 케이스에 들어가 있는 것이 FCZ 코일입니다. 사진의 왼쪽것은 특정 주파수용 발진출력용으로 만들어진 것입니다. FCZ 코일에는 10mm높이와 7mm 의 2종류가 있으며 5mm 짜리도 있으나 잘 사용되지 않습니다.
중간 주파수 동조 코일
IFT라고 불리는 코일로 FCZ 코일과 마찬가지로 금속 케이스에 들어가 있습니다. 차이는 중간주파수로 쓰여지는 455kHz나 10.7MH 에 동조한 콘덴서가 미리 병렬 접속되어 있는 것입니다. 사진은 코일의 바닥 사진으로 좌측은 FCZ 코일이며 우측이 IFT로 IFT 쪽에는 콘덴서가 한가운데 장착되어 있는 것을 볼 수 있습니다.
바 안테나 코일
휴대용 라디오의 동조 코일로 특히 코어를 크게 하여 수신 감도가 좋아지게 되어 있습니다.형태나 크기에는 많은 종류가 있으나 일반적으로 바리콘과 병렬 접속되어 동조 주파수를 가변할 수 있도록 되어있어서 라디오 방송 전파를 선택할 수 있습니다. 사진은AM 라디오 용 바 안테나입니다.
전원용 초크 코일
전원 주파수 대역에서 충분한 인덕턴스를 갖고 있는 코일로 코어에 동선을 감아서 만들어집니다. 입력 전원용 필터나 스위칭 전원의 출력 필터로 사용되고 있습니다. 좌측2개는 전원필터용이며 오른쪽의 2개는 고주파 동조용입니다.
전원 트랜스
전원 트랜스주파수가 낮고 전류 용량이 큰 대형 코일로 출력 전압과 전류 용량에 따라 많은 전원 트랜스종류가 있습니다.AC 전원으로부터 DC 전원을 만들는 때 필수적인 부품이전원 트랜스나 최근에 시판되는 전원장치의 대부분은 스위칭 전원으로 되어있으며 무겁고 전원 트랜스 대형의 전원 트랜스를 사용하는 방식은 점차 줄어들고있는 추세입니다.
오디오 트랜스
오디오용 트랜스로 근래에는 오디오 증폭기의 회로가 많이 개선되어 거의 사용되지 않고 있습니다. 오디오용 트랜스의 용도는 트랜지스터 앰프의 출력임피던스와 스피커의 임피던스의 정합에 사용됩니다.


디지털IC - 대표적인 로직 IC

대표적인 로직 IC
 

명 칭

기능 설명

비    고

74HC00Quad 2-Input NAND Gate2입력의 NAND 게이트가 4개 들어있다.
74HC04Hex Inverters인버터 회로가 6개 들어있다.
74HC08Quad 2-Input AND Gate2입력 AND게이트가 4개 들어있다.
74HC14Hex Schmitt-trigger Inverters슈미트 트리거 인버터가 6개 들어있다.
74HC32Quad 2-Input OR Gate2입력 OR게이트가 4개 들어있다.
74LS42BCD to DECIMAL Decoder입력한 BCD코드에 의해 선택된 출력이 L로 된다.
7445O.C.BDC to DECIMAL Decoder/Driver7442의 open collector buffer 타입. 출력단자의 최대 유입전류는 80mA
74LS47BCD to Segment Decoder/Driver7세그먼트 LED의 드라이버 open collector 타입
74HC73Dual JK-FFs With ClearJK 플립플롭을 2개 내장
74HC86Quad 2-Input Exclusive OR Gate2입력의 Exclusive OR게이트가 6개 들어있다.
74LS90Decade Counter비동기 2진+5진 카운터 비동기 프리셋 9 비동기 클리어
74HC934-Bit Binary Counter비동기 2진+8진 카운터
74HC123Dual Retriggaerable Single Shot입력의 상승시점에서 Cext, Rext에 접속하는 C, R의 값에 따라 출력을 지속하는 single shot register
74HC125Quad 3-State Noninverting Buffers6개의 3-스테이트 버퍼가 들어있다.
74HC1381-of-8 Decoder / demultiplexer3개의 입력신호로 8개의 출력중 한개를 선택한다.
74HC244Octal 3-state noninverting buffer / Line Driver8비트의 3-state 버퍼
74HC245Octal 3-state noninverting bus tranciever8비트의 양방향 3-state 버퍼
74LS290Decade Counter7490의 핀 레이아웃을 바꾼 타입
74HC390Dual Decade Counters7490을 2개로내장한 타입이다. 단, 프리셋 9는 생략되어 있다.
74HC573Octal 3-state noninverting transparent latch8비트의 3-state 래치. 부논리에 의해 래치된다.
74HC574Octal 3-state noninverting D Flip-flop8비트의 3-state D 플립 플롭으로 상승 엣지에 래치된다.
74HC5958-Bit Serial in / pararell out shift register8비트의 래치를 가지는 시프트 레지스
 


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디지털 IC - 데이터시트 보는 법

  디지털 IC의 데이터시트 보는 법
핀 배치
IC를 사용하는 데 있어서 없어서는 안되는 것은 핀 배치에 관한 것입니다. 그러므로 배선하기 전에 반드시 핀 배치를 확인해야 합니다.
 
최대 정격 (Absolute maximum ratings)
IC를 사용함에 있어 반드시 지켜야 하는 규격이 최대 정격입니다. 순간적이라도 이 최대정격을 넘는 조건에서 IC를 사용하면 IC가 손상되거나 성능이 크게 떨어지게 됩니다.
 
TTL(74LS 시리즈)의 예
전원전압 VCC7V
입력전압 Vin5.5V
3스테이트형이 OFF일경우 출력핀의 허용전압
Off-State Output Voltage
15V
보존온도-65 ~ +150도
 
CMOS(4000시리즈)의 예
전원전압 VDD-0.5 ~ +20V
입력전압 Vin-0.5 ~ VDD + 0.5V
입력 전류 Iin+-10mA
보존온도-65 ~ +150도
 
권장 동작 조건 (Recommended operating conditions)
IC를 안정적으로 동작시키기 위해서는 권장 동작 조건의 범위내에서 사용해야 합니다.
 
권장 동작 조건의 예
TTL(74LS시리즈)CMOS(4000시리즈)
전원 전압4.75 ~ 5.25V3 ~ 18V
동작 온도0 ~ 70도-40 ~ 85도
 
CMOS의 경우 권장 동작 전원전압의 범위는 시리즈에 따라 크게 다르기 때문에 주의해야 합니다.
 
시리즈권장 전원전압
40003 ~ 18V
4000H2 ~ 8V
74HC2 ~ 6V
74HCT4.5 ~ 5.5V
74AC2 ~ 5.5V
 
전기적 특성
데이터시트에는 논리레벨, 흡입전류, 토출전류, 소비전력, 전달 지연 시간등 IC의 전기적 특성이 기록되어 있습니다.
 
VIH - 입력이 'H'일때의 전압 
VIL - 입력이 'L'일때의 전압 
IOH - 출력핀이 'H'일때의 토출전류 
IOL - 출력핀이 'L'일때의 흡입전류 
PW - 소비 전력 
tPD - 전달 지연시간
 
스위칭 특성
게이트에서는 입력신호가 들어온 후 출력신호가 나오기까지 약간의 시간이 걸립니다. 그 시간을 전달 지연시간이라고 부릅니다. 그리고 전달 지연 시간에 관한 전기적 특성을 스위칭 특성이라고 부릅니다.
 
예를 들어 펄스 하나를 게이트 IC에 입력하는 경우
그림과 같이 펄스는 실제로는 타이밍 차트상에서 완전한 사격형이 아닌 사다리꼴의 모양이 됩니다. 이것은 신호가 스위칭될때 약간의 시간이 걸리기 때문입니다. 완전한 신호 'H'일때의 전압을 기준으로 10%에서 90%로 올리기까지 필요한 시간을 상승시간(tTLH 또는 trc)라 합니다. 반대로 90%에서 10%로 내리기까지 필요한 시간을 하강시간(tTHL 또는 tfc)라고 합니다.
 
정논리와 부논리, 엣지
위 그림의 IC는 74LS138라는 TTL IC입니다. G2A와 G2B단자에 ○표시가 있습니다. 
이는 해당 핀이 부논리에서 동작한다는 것을 의미합니다. 즉 해당핀이 'L'이 되어야 Enable됨을 의미합니다. 
마찬가지로 출력핀에도 ○표시가 있는데 이는 해당 핀이 부논리로 작동함을 의미합니다.
위의 IC는 74LS74라는 IC입니다. CLOCK1,2핀에 삼각형모양의 표시가 있습니다. 이것은 펄스에 의한 동작을 의미하는 데 신호변화에 따라 다음과 같은 종류가 있습니다.
즉 74LS74의 경우 상승엣지이므로 해당 핀이 L에서 H로 변하는 순간 작동하게 됩니다.


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디지털 IC - 취급방법

  디지털 IC의 취급방법
1.IC취급시의 일반적인 주의사항 최대 정격을 넘는 전압이나 전류에서는 사용하지 않는다.
또한 IC는 역전압에 매우 약하기 때문에 전원전압의 극성에 주의해야 합니다.
  
2.납땜시에는 최대한 단시간에 끝낸다.
IC의 열에 대한 최대 한계는 보통 260도에서 약 10초간입니다. 이 범위를 넘게 되면 IC가 손상을 입을 수 있습니다.
  
3.고온 다습한 장소에서 사용하거나 보관하는 것은 피한다.
고온 다습한 장소에 두면 IC의 패키지를 통해 수분이 내부까지 침입하는 경우도 있습니다.
  
4.기계적인 충격을 주지 않는다.
최근의 IC는 기계적 진동에 대한 상당한 내성이 있지만 과도한 충격을 주면 당연히 손상을 입게 됩니다.
  
5.핀 번호에 유의한다.
배선시에는 핀 번호가 정확한지 충분히 확인해야 합니다.
  
6.CMOS에서는 정전기로 인한 입력 단자의 파괴에 주의한다.
CMOS의 입력단자는 약간이기는 하지만 정전용량을 가지고 있습니다. 정전기의 축적에 의한 고전압으로 입력단자가 망가지지 않도록 주의해야 합니다. 최근의 CMOS에는 정전에 대한 보호회로를 갖춘 것도 있지만 보호범위에 한계가 있어 너무 안심하지 않아야 합니다.
  
7.원칙적으로는 출력핀끼리 접속하지 않는다.
오픈 콜렉터나 오픈 드레인 형태의 출력핀이 아니라면 원칙적으로 출력핀끼리 접속해서는 안됩니다.
  로직 IC를 사용한 회로 설계시의 유의점
TTL의 팬 아웃 
TTL의 출력핀을 다른 입력핀에 접속한 경우 출력핀이 'L'일 때는 입력핀에서 출력핀으로 전류가 흘러 들어갑니다. 입력핀에서 흘러 나가는 전류를 토출전류, 출력핀으로 흘러 들어가는 전류를 흡입전류라고 합니다. 
 
출력핀이 신호 'H'일 경우는 출력핀에서 입력핀으로 전류가 흘러 들어갑니다. 
 
74LS 시리즈의 경우 입력핀의 토출전류는 최대 0.4mA, 흡입전류는 최대 20uA이며 출력핀의 토출전류는 최대 400uA, 흡입전류는 최대 8mA입니다.

입력핀 1개당 0.4mA를 토출한다고 가정하명 8mA / 0.4mA = 20개의 출력핀이 신호 'L'일때 접속할 수 있는 최대 입력핀 수가 됩니다. 그러므로 출력핀에 접속하는 입력핀의 수를 무제한으로 증가시킬 수는 없습니다. 

이 최대 입력핀의 수를 팬 아웃(Fan-Out)이라고 합니다. 

CMOS의 팬 아웃 
CMOS의 입력저항은 매우 높기 때문에 전류가 거의 흐르지 않습니다. 그렇기 때문에 팬아웃이 매우 클 것으로 보입니다. 
그러나 CMOS의 입력핀에는 정전용량이 있습니다. 입력신호가 L에서 H로, H에서 L로 변할때 이 정전용량에 의한 충방전 전류가 흐르게 됩니다. 이 때문에 CMOS의 경우 약 50개 내외의 팬 아웃을 가지고 있습니다. 

사용하지 않는 핀의 취급 
사용하지 않는 게이트의 핀은 실제적으로 개방시켜놓아도 큰 문제는 없습니다. 
그러나 개방상태의 입력핀은 TTL에서는 'H', CMOS에서는 불안정한 상태에 있게 되므로 트러블의 원인을 제공할 수도 있습니다. 그러므로 사용하지 않는 핀은 'H'나 'L'의 적당한 곳에 연결해 두어야 합니다. 

전원의 바이패스 
디지털 IC에서는 다루는 신호가 'H'에서 'L'로 혹은 'L'에서 'H'로 바뀌는 순간에 일시적으로 스위칭 전류라는 큰 전류가 흐르게 됩니다. IC와 전원장치간에는 어느 정도의 거리가 있습니다. 즉 아무리 전류가 흐르는 속도가 빠르더라도 전원장치에서 IC까지 스위칭 전류를 공급하는데는 시간이 필요합니다. 

만약 전류를 공급하는 것이 늦어지면 IC는 오동작을 하게 됩니다. 이런 경우 IC근처에 캐패시터를 접속해 두면 거기로부터 필요한 스위칭 전류를 얻을 수 있습니다. 이와 같은 용도로 사용되는 캐패시터를 바이패스 캐패시터라고 합니다. 바이패스에는 보통 0.01~0.1uF 정도의 세라믹 캐패시터를 주로 사용합니다.


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디지털 IC - TTL과 CMOS

디지털 IC TTL과 CMOS 

디지탈 IC의 큰 분에는 TTL(Transistor Transistor Losic)과 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)가 있습니다. 

이외에도 고집적도를 얻기 위하여 메모리나 마이컴 관련 IC에 사용되는 N채널 MOS를 시초로 한 초고속 응답용과 컴퓨터나 카운터에 사용되고 있는 ECL(Emitter Coupled Losic) 등 여러가지가 있으나 특수한 용도나 목적에 사용되고 일반적인 디지털 로직은 TTL이나 CMOS 로직으로 한정됩니다. 

TTL은 1964년 미국의 TI(Texas Instruments)사에 의해서 발표된 이래, 우수한 성능과 적정한 가격, 500종류 이상이나 되는 풍부한 품종, 다수의 메이커가 생산함으로서 쉽게 구입할 수 있고, 시대에 따른 고속성, 에너지 지향의 개량형의 개발 등에 의해서 오늘날에도 디지탈 제어용의 IC의 주류를 이루고 있숩니다. 

이에 대해서 CMOS 로직은 1996년에 미국의 RCA사와 모토로라사에 의해 발표된 것으로서 저소비 전력과 사용전압 범위가 넓어 급속도로 발전하였고 요즘에는 고 집적도의 LSI화와 TTL에 뒤떨어지지 않는 고속 응답형의 개발 등에 의해서 TTL을 능가하는 보급률을 보이고 있습니다. 

TTL은 NPN형 트랜지스터를 중김으로 만들어졌고, CMOS는 FET(전계효과 트랜지스터)를 사용하여 만들어졌습니다. 

이 두가지 로직의 특징을 간단히 비교하면 다음과 같습니다.
 

항목

TTL

CMOS

  전원전압

  4.75 ~ 5.25V  종래형 : 3 ~ 18V 
  고속형 : 2 ~ 6V

  Threshold Level

  1.2 ~ 1.4V  전원전압의 약 1/2
  입출력간 전달지연시간  LS형 -- 10ns 
  AS, AL형 -- 3 ~ 3.5ns
  종래형 : 100ns 
  고속형 : 8ns
  최고 응답 주파수  LS형 -- 45MHz 
  ALS형 -- 100MHz
  종래형 : 2MHz 
  고속형 : 45MHz
  소비전류  LS형 -- 3.2mA(H레벨출력)                1.6mA(50%듀티)  0.0005 ~ 0.0003 micro A
  품종  매우 풍부(500종 이상)  실용상 충분한 품종
  사용온도 범위  섭씨 0 ~ 70도  섭씨  - 40 ~ 85도
  장점  전달 지연 시간이 짧다  구조가 간단하여 집적화가 쉽다
  단점  노이즈 마진이 작다 
  선로 임피던스에 영향받기 쉽다
  소비전력이 크다
  정전 파괴가 쉽다 
  고온에 약하다
  TTL의 종류
TTL은 바이폴라형 트랜지스터를 스위칭 소자로 사용한 디지탈 제어용 IC의 일종으로, 특히 고속 응답성과 사용이 간편한게 특징입니다. 오랜 세월의 경험을 토대로 여러가지 용도에 맞는 품종이 만들어지고 있지만 대개의 차이점이나 특색을 알아놓지 않으면 제어회로의 본질을 이해할 수 없으므로 대표적 품종 몇가지에 대하여 알아보도록 하겠습니다. 

TTL은 오늘날 세계의 많은 메이커에 의해서 생산되고 있지만 그 대부분이 TI사의 세컨드 소스라고 볼 수 있습니다. 그러므로 특성은 물론이고 형명이나 파트넘버에 대해서도 TI사의 기준에 준하고 있어 TTL에 대해서 연구할 때는 TI사의 자료를 참고하는 것이 가장 적당하다고 할 수 있습니다. 

TI사의 TTL에는 2개의 계열과 7개의 시리즈가 있습니다. 2개의 패밀리란 표 2에 나타낸 바와 같이 54시리즈와 74시리즈가 있습니다. 54시리즈는 74시리즈에 비하여 성능이나 온도 특성 등이 우수한 것으로 군용으로 사용되고 있으며 일반적으로는 거의 사용되지 않습니다. 일반적으로 대부분 74시리즈라고 할 수 있습니다. 

계열

사용온도 범위

전원전압

패키지

54계열

- 55 ~ 125

5V (+/-) 10%

J형,W형,T형

74계열

0 ~ 70

5V (+/-) 5%

J형,N형

J:세라믹 DIP, N:플라스틱 DIP, W:세라믹 플랜트 패키지, T:메탈 플랜트 패키지

이들의 가장 큰 차이점은 위의 표에서도 알 수 있듯이 사용온도 범위입니다. 

패키지는 54계열에서는 내습성이 우수한 세라믹 패키지나 메탈 패키지가 표준으로 되어 있지만 74계열에서는 패키징이 용이하고 가격이 저렴한 플라스틱 DIP(Dual Inline Pakage) 패키지가 주류를 이루고 있습니다. 

74패밀리에도 해상기기나 옥외결로의 염려가 되고 있는 기기에 세라믹 패키지가 채용되는 경우도 있지만 최근 플라스틱의 질적향상은 눈부시게 발전하여 가까운 장래에 세라믹은 자취를 감추게 될 것입니다. 패키지의 형상면에서는 DIP타입이 가장 일반적입니다. 소규모 IC는 14핀, 중규모 IC에서는 16핀, 거기에 마이크로 컨트롤러 등의 IC는 20핀~40핀이 많이 사용됩니다. 핀의 간격은 각 메이커에서 통일되어 있지만 패키지 외형치수는 재질이나 메이커가 달라 약간 다르기도 합니다. 

시리즈

게이트

플립플롭

속도*전력곱

전달지연 시간

소비전력

클럭입력 주파수

Standard TTL54/74

100pJ

10ns

10mW

0 ~ 35MHz

High Speed TTL54/74H

132pJ

6ns

22mW

0 ~ 50MHz

Low Power TTL54L

33pJ

33ns

1mW

0 ~ 3MHz

Schottky TTL54/74S

57pJ

3ns

19mW

0 ~ 125MHz

Low-Power Schottky TTL54/74LS

19pJ

95ns

2mW

0 ~ 45MHz

Advanced Schottky TTL54/74AS

33pJ

15ns

22mW

0 ~ 200MHz

Advanced Low-Power Schottky TTL54/74ALS

4pJ

4ns

1mW

0 ~ 100MHz



TTL에는 위의 표와 같이 7개의 시리즈가 있으며 주로 전기적 특성에 의해서 구분됩니다. 당초에는 스탠다드형과 고속응답의 H형, 저소비전력의 L형의 3종류가 만들어 졌지만 그 후 트랜지스터의 베이스-콜렉터간에 순전압강하의 낮은 쇼트키 장벽 다이오드를 조합시켜 고속 스위칭을 실현한 S형과 저소비전력형의 LS형의 2종류가 추가되었습니다. 

그러나 최근에는 CMOS 로직도 고속화가 되어 TTL의 장점이 약화되었습니다. 이에 따라 고속, 저소비전력으로 강화된 ALS형과 AS형이 동시에 발표되었습니다. 그러나 품종이 적기 때문에 그다지 사용되고 있지는 않습니다. 

위의 표에 나온 패밀리 외에도 74시리즈는 원래 TTL만 있었지만 그 후 CMOS형의 HC패밀리가 개발되었습니다. 이것은 CMOS의 단점인 동작속도를 TTL이상의 수준으로 고속화한 것입니다. 또한 HC패밀리는 지금까지의 TTL과 같은 핀 배치를 사용하고 있기때문에 교환성이 매우 우수하여 근래에는 기존의 TTL을 대체하고 있습니다.


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커넥터

커넥터의 종류는 용도에 따라 엄청나게 다양한 종류가 있습니다. 그 중에서 흔히 사용되는 대표적인 커넥터를 소개하도록 하겠습니다.
 
  동축 콘넥터
많은 종류의 동축 콘넥터가 있지만 그림은 많이 사용되고 있는 BNC 타입의 동축 콘넥터입니다. 좌측이 잭이며 가운데가 플러그,우측이 플러그를 조립한 모습입니다. 이것을 판넬에 직접 설치하고 판넬이 접지되도록 합니다.주로 고주파 신호용으로 사용됩니다.
  D-SUB 커넥터
컴퓨터와 주변기기를 접속할때에 많이 쓰여지는 콘넥터로 수십개의 핀으로 구성되어 있습니다. 그림에서 좌측은 25 핀 D-SUB 콘넥터로 PC의 병렬 포트에 사용되고 있으며 우측은 36핀의 센트로닉스 커넥터로 프린터에 사용되고 있습니다.
  기판-케이블용 커넥터
기판과 케이블을 접속할때 사용하는 콘넥터로 핀수는 1핀에서 수십핀까지 다양합니다.그림은 직선형이지만 직각으로 구부러져 있는 형태도 있습니다.
  오디오 잭
주로 오디오용 접속에 사용하며 그림의 가운데가 잭으로 판넬에 고정합니다.좌측이 플러그, 우측이 조립한 플러그 입니다.오디오용이기 때문에 외부 배선에는 실드선을 사용하기 편리한 구조로 되어 있습니다.RCA 핀잭 이라는 것도 있으며 내구성이 좋고 고주파에 사용할 수 있는 타입입니다.
  스테레오 플러그 잭
스테레오 오디오 접속용으로 사용하며 앰프나 음향기기의 외부 접속용으로 사용됩니다. 우측 2개가 잭으로 기판이나 판넬에 조립하고 사용하며 좌측에 있는 것은 플러그입니다.
  DC 전원용 플러그 잭
외부에서 DC 전원을 공급할때 사용하는 커넥터 입니다. 그림의 좌측2개가 플러그이며 우측은 잭으로 이것을 판넬에 고정하고 사용합니다.플러그 측은 케이블과 일체로 조립된 것도 있으며 특별한 경우가 아니면 그런것을 사용하는 것이 깨끗하고 좋습니다.
  리본 케이블 커넥터
IDC(Insulation Displacement Connector)라고도 불리는 커넥터로 PCB간의 신호 전송을 위한 접속에 사용됩니다. 대표적인 예로 PC의 하드디스크의 연결에 사용되고 있습니다.
  FFC 커넥터
일반적인 케이블과 달리 얇은 필름 형태의 케이블을 사용하는 커넥터입니다. 케이블의 부피가 매우 작기 때문에 휴대폰과 같은 소형기기의 내부 접속용으로 사용되고 있습니다.
 
  DIN 커넥터
외부기기와의 접속을 위한 커넥터입니다. 좌측 사진은 크기가 작은 Mini DIN 타입으로 PC에서 키보드와 마우스의 접속에 사용되고 있습니다.
  Circular 커넥터
비교적 대형의 커넥터로 기계나 군용 장비의 신호 전달용이나 전원 접속용으로 주로 사용됩니다.
 


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다이오드의 종류

 
  1) Forward Voltage
순방향 전압으로 순방향으로 전류가 흐를때 강하되는 전압을 말합니다. 마찬가지로 최소한 순방향 강하전압 이상의 전압을 가해야만 전류가 흐를 수 있습니다.
  2) Peak Reverse Voltage
순간 허용 역전압으로 지속적이지 않고 순간적으로 허용되는 역방향 전압을 말합니다.
  3) RMS Reverse Voltage
역방향 실효전압으로 역방향으로 허용되는 교류 실효전압을 말합니다.
  4) Maximum Reverse Leakage Current
최대 역방향 누설전류로 역방향으로 접속되었을 때의 최대 누설전류를 말합니다.
  5) Forward Continuous Current
순방향 허용 전류로 순방향으로 접속되었을때 허용되는 최대 전류를 말합니다.
  6) Norminal Zener Volatage
정격 제너 전압으로 제너 다이오드의 경우 실온에서의 제너 전압을 말합니다.
  7) Average Rectified Output Current
평균 정류 전류로 정류 다이오드의 경우 허용되는 평균 전류량을 말합니다.
  8) Thermal Resistance
열저항으로 내부 접점으로부터 외부 공기까지의 열저항을 말합니다.


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코일과 트랜스

코일과 트랜스
코일이란 동선과 같은 선재(線材)를 나선 모양으로 감은 것입니다. 

코일의 성질 정도를 나타내는 단위로 헨리(Henry:H)가 사용됩니다. 선재를 감으면 감을수록 코일의 성질이 강해지며 헨리의 값도 커집니다. 코일은 내부에 아무것도 넣지 않은 공심으로 하는 것보다 철심에 감거나 코어라 부르는 철분말을 응고시킨 것에 감는 편이 보다 큰 헨리값이 얻어집니다. 통상 전기회로에서 사용하는 코일은 마이크로 헨리(μH)부터 헨리(H)까지 폭넓게 사용됩니다. 

코일을 인턱터(Inductor) 또는 인덕턴스(Inductance)라고 하는 경우가 있습니다(엄격히 말해서, 인덕턴스라고 하는 것은 코일 성분의 정도를 나타내는 것이며, 부품 그 자체를 나타내는 말은 아닙니다). 
코일에 교류전류가 흐른 경우, 코일에 발생하는 자속이 변화합니다. 
 그 코일에 다른 코일을 가까이 했을 경우, 상호유도작용(Mutual Induction)에 의해, 접근시킨 코일에 교류전압이 발생합니다. 
이 상호유도작용의 정도를 상호 인덕턴스(단위는 헨리:H)로 표시합니다. 

코일이 하나만 있는 경우에도 자신이 발생하는 자속의 변화가 자신에게 영향을 줍니다. 
이것을 자기유도작용이라고 하며, 그 정도를 자기 인덕턴스(Self Inductance)로 나타냅니다. 

헨리의 정의는 어떤 코일에 매초 1A의 비율(1A/s)로 전류가 변화할 때, 다른 쪽의 코일에 1V의 기전력을 유도하는 두 코일간의 상호 인덕턴스를 1헨리(H)로 한다고 되어 있습니다. 
자기 인덕턴스의 경우는 전류의 변화율이 1A/s일 때 1V의 기전력을 발생하는 경우의 자기 인덕턴스를 1H로 한다고 되어 있습니다.
  코일의 성질
선재를 나선 모양으로 감으면 원래의 선재가 지닌 특성과는 전혀 다른 여러 가지 특성이 나오게 됩니다. 
여러 특성 가운데서 몇가지 주요 특성에 대해 살펴보면 다음과 같습니다.
(1)전류의 변화를 안정시키려고 하는 성질이 있다
 전류가 흐를려고 하면 코일은 전류를 흘리지 않으려고 하며, 전류가 감소하면 계속 흘릴려고 하는 성질입니다. 이것을 "렌츠의 법칙"이라 부르는데, 전자유도작용에 의해 회로에 발생하는 유도전류는 항상 유도작용을 일으키는 자속의 변화를 방해하는 방향으로 흐른다는 것입니다. 

이 성질을 이용하여 교류로부터 직류로 변환하는 전원의 평활회로에 사용됩니다. 교류를 정류기에 의해 직류로 변환한 경우, 그대로는 맥류(리플:Ripple)라고 하여 교류성분이 많은 직류이며 완전한 직류가 아닙니다. 
플러스의 직류로 정류한 경우, 마이너스 전압성분은 없어지지만, 0V와 플러스 전압을 왕래하고 있습니다. 평활회로는 콘덴서와 코일을 조합한 회로를 사용하면 코일이 전류의 변화를 저지하려는 작용을 하고, 콘덴서가 입력전압이 0V로 되어도 축적한 전기를 그때 토출하기 때문에 안정한 직류를 얻을 수 있습니다. 

간단한 평활회로에서는 코일 대신에 저항기를 사용하여, 콘덴서의 평활 기능만 이용하는 경우도 있습니다.
 
(2)상호유도작용이 있다
 이것은 앞에서도 언급했지만, 두 코일을 가까이 하면 한쪽 코일의 전력을 다른 쪽 코일에 전달할 수 있다는 것입니다. 이 성질을 이용한 것이 트랜스입니다. 전력을 공급하는 쪽의 코일(입력)을 1차측, 전력을 꺼내는 쪽(출력)을 2차측이라고 합니다. 1차측 권수와 2차측 권수의 비율에 따라 2차측의 전압이 변화합니다. 전원트랜스 등은 2차측에서 권선의 도중에 선을 내어(tap이라고 한다) 복수의 전압을 얻을 수 있도록 한 것이 많습니다.
 
(3)전자석의 성질이 있다
 전류가 흐르면 철이나 니켈등의 자성체를 흡착하는 성질을 말합니다. 이 성질을 이용한 것으로 계전기(릴레이)가 있습니다. 전류가 흐를 때에 철판을 끌어당겨 철판에 부착된 스위치를 닫도록 하는 것입니다.
 
(4)공진하는 성질이 있다
 코일과 콘덴서를 조합하면 어떤 주파수의 교류전류가 흐르지 않거나, 쉽게 흐르기도 합니다. 라디오의 방송국을 선택하는 튜너는 이 성질을 이용하여 특정한 주파수만을 선택하고 있는 것입니다.
 
  코일의 종류
  분류  명칭  기능 및 용도
  코 일 인덕터초크코일고주파에 대하여 저항 작용을 하고픈 고주파를 감쇠시키는데도 사용한다.
용도 : 고주파 필터.
고주파 동조 코일 IFT코일과 콘덴서를 병렬 접속하고 어느 특정 주파수에 동조하여 신호를 추출하기 위해 사용한다.
용도 : TV나 라디오의 동조 회로등.
바 안테나동조용이지만 내부에 코어를 삽입하고 특히 길게 하여 안테나와 동등의 특성을 갖게 한 것으로 휴대용 라디오의 안테나로 사용되고 있다.
전원용 초크저주파에 대해서도 특히 큰 저항을 나타내도록 하여 전원 노이즈 방지용의 필터나 평활 회로의 필터에 사용한다.
  트랜스전원 트랜스여러가지 코일을 동일한 철심에 감은 것으로 전압의 변환 기능을 갖는다.이것을 이용하여 전압 을 높이거나 낮추는데 사용한다.
스위칭 
전원용 트랜스
전원용 트랜스와 동일이지만 주파수가 높기 때문에 소형으로 효율이 좋은 코어를 사용하고 있다.
오디오용 트랜스트랜지스터 회로등으로 임피던스가 크게 다른 경우 전달 로스를 적게 하기 위해 임피던스 변환용으로 쓰여지는 트랜스로 최근에는 회로의 발전으로 많이 쓰여지지 않게 ?다.
  회로도 기호
회로도에 쓰여지는 기호는 아래와 같은 것이 쓰여지지만 다소 다른 형태도 있습니다. 

    회로도 기호    약호    명칭    기능
        RFC    초크 코일    고주파 저지용 코일,  필터용 코일
        L    동조 코일 IFT    고주파 동조 용,  속칭 FCZ 코일
        TR    전원 트랜스    전원 전압 변환용
 
고주파 초크 코일(RFC)
단순한 고주파 필터용 코일입니다. 종류는 하기 다양한 형태의 것이 있으나 단순한 코일로서 용량 범위는 수 μH ~ 수 mH 까지 있습니다. 수 μH 이하에서는 공심 인 것도 있지만 통상은 코어가 사용되고 있습니다.
고주파 동조용 코일
고주파 회로의 전달시 효율을 좋게할 목적으로 쓰여지는 코일입니다. 주로 사용되는 것에는 FCZ코일 이라고 불리는 것이 있으며 좌측 사진에서 케이스에 들어가 있는 것이 FCZ 코일입니다. 사진의 왼쪽것은 특정 주파수용 발진출력용으로 만들어진 것입니다. FCZ 코일에는 10mm높이와 7mm 의 2종류가 있으며 5mm 짜리도 있으나 잘 사용되지 않습니다.
중간 주파수 동조 코일
IFT라고 불리는 코일로 FCZ 코일과 마찬가지로 금속 케이스에 들어가 있습니다. 차이는 중간주파수로 쓰여지는 455kHz나 10.7MH 에 동조한 콘덴서가 미리 병렬 접속되어 있는 것입니다. 사진은 코일의 바닥 사진으로 좌측은 FCZ 코일이며 우측이 IFT로 IFT 쪽에는 콘덴서가 한가운데 장착되어 있는 것을 볼 수 있습니다.
바 안테나 코일
휴대용 라디오의 동조 코일로 특히 코어를 크게 하여 수신 감도가 좋아지게 되어 있습니다.형태나 크기에는 많은 종류가 있으나 일반적으로 바리콘과 병렬 접속되어 동조 주파수를 가변할 수 있도록 되어있어서 라디오 방송 전파를 선택할 수 있습니다. 사진은AM 라디오 용 바 안테나입니다.
전원용 초크 코일
전원 주파수 대역에서 충분한 인덕턴스를 갖고 있는 코일로 코어에 동선을 감아서 만들어집니다. 입력 전원용 필터나 스위칭 전원의 출력 필터로 사용되고 있습니다. 좌측2개는 전원필터용이며 오른쪽의 2개는 고주파 동조용입니다.
전원 트랜스
전원 트랜스주파수가 낮고 전류 용량이 큰 대형 코일로 출력 전압과 전류 용량에 따라 많은 전원 트랜스종류가 있습니다.AC 전원으로부터 DC 전원을 만들는 때 필수적인 부품이전원 트랜스나 최근에 시판되는 전원장치의 대부분은 스위칭 전원으로 되어있으며 무겁고 전원 트랜스 대형의 전원 트랜스를 사용하는 방식은 점차 줄어들고있는 추세입니다.
오디오 트랜스
오디오용 트랜스로 근래에는 오디오 증폭기의 회로가 많이 개선되어 거의 사용되지 않고 있습니다. 오디오용 트랜스의 용도는 트랜지스터 앰프의 출력임피던스와 스피커의 임피던스의 정합에 사용됩니다.


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디지털 IC 04

대표적인 로직 IC 

명 칭

기능 설명

비    고

74HC00Quad 2-Input NAND Gate2입력의 NAND 게이트가 4개 들어있다.
74HC04Hex Inverters인버터 회로가 6개 들어있다.
74HC08Quad 2-Input AND Gate2입력 AND게이트가 4개 들어있다.
74HC14Hex Schmitt-trigger Inverters슈미트 트리거 인버터가 6개 들어있다.
74HC32Quad 2-Input OR Gate2입력 OR게이트가 4개 들어있다.
74LS42BCD to DECIMAL Decoder입력한 BCD코드에 의해 선택된 출력이 L로 된다.
7445O.C.BDC to DECIMAL Decoder/Driver7442의 open collector buffer 타입. 출력단자의 최대 유입전류는 80mA
74LS47BCD to Segment Decoder/Driver7세그먼트 LED의 드라이버 open collector 타입
74HC73Dual JK-FFs With ClearJK 플립플롭을 2개 내장
74HC86Quad 2-Input Exclusive OR Gate2입력의 Exclusive OR게이트가 6개 들어있다.
74LS90Decade Counter비동기 2진+5진 카운터 비동기 프리셋 9 비동기 클리어
74HC934-Bit Binary Counter비동기 2진+8진 카운터
74HC123Dual Retriggaerable Single Shot입력의 상승시점에서 Cext, Rext에 접속하는 C, R의 값에 따라 출력을 지속하는 single shot register
74HC125Quad 3-State Noninverting Buffers6개의 3-스테이트 버퍼가 들어있다.
74HC1381-of-8 Decoder / demultiplexer3개의 입력신호로 8개의 출력중 한개를 선택한다.
74HC244Octal 3-state noninverting buffer / Line Driver8비트의 3-state 버퍼
74HC245Octal 3-state noninverting bus tranciever8비트의 양방향 3-state 버퍼
74LS290Decade Counter7490의 핀 레이아웃을 바꾼 타입
74HC390Dual Decade Counters7490을 2개로내장한 타입이다. 단, 프리셋 9는 생략되어 있다.
74HC573Octal 3-state noninverting transparent latch8비트의 3-state 래치. 부논리에 의해 래치된다.
74HC574Octal 3-state noninverting D Flip-flop8비트의 3-state D 플립 플롭으로 상승 엣지에 래치된다.
74HC5958-Bit Serial in / pararell out shift register8비트의 래치를 가지는 시프트 레지스


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