다이오드 AND(diode AND) 출력에 LED를 달기 전에 HIGH 전압을 확인합니다

다이오드 방향과 두 출력 가지를 먼저 읽습니다

다이오드 AND(diode AND)는 출력 노드를 저항으로 전원 쪽에 끌어올리고, 어느 입력이 LOW가 되면 다이오드를 통해 그 입력으로 출력 전류가 빠져나가도록 만든 회로입니다. 풀업 저항(pull-up resistor)은 전원 V+와 출력 사이의 저항입니다. 아래 개념도에서는 10 kΩ입니다. 각 다이오드의 애노드(anode)는 출력 쪽, 기호의 막대가 있는 캐소드(cathode)는 입력 A·B·C 쪽입니다. 이 방향을 거꾸로 연결하면 동작이 달라집니다.

출력에서 접지로 내려가는 별도 가지에는 470 Ω 저항과 LED(Light-Emitting Diode, 발광 다이오드)가 직렬로 있습니다. 이 470 Ω은 LED 전류를 제한할 뿐, 10 kΩ 풀업이 약한 전원 경로라는 점은 그대로입니다. 회로에 표시된 V+는 전원 전압이고, V_OUT은 다음 회로가 읽을 공통 출력 전압입니다. 도면만으로 V+의 값이나 입력을 구동하는 부품을 알 수는 없습니다.

모두 HIGH여도 LED가 풀업 전류를 가져갑니다

A·B·C가 모두 출력보다 충분히 높은 전압을 유지해 입력 다이오드가 차단되었다고 하겠습니다. 10 kΩ을 지난 전류는 LED 가지와 다음 회로의 입력으로 나뉩니다. I_PU는 풀업 전류, I_LED는 LED 전류이며 단위는 A(암페어)입니다. 수신기 입력이 출력에서 가져가는 전류를 I_IN이라고 정의하면, 직류 상태의 전류 관계는 다음과 같습니다.

여기서 I_leak는 입력 다이오드 등의 누설 전류를 출력에서 빠져나가는 방향으로 합한 값입니다. LED가 실제로 도통하는 구간에서만, 그 전류에서의 LED 순방향 전압 V_F,LED(LED forward voltage)를 이용해 I_LED≈(V_OUT−V_F,LED)/470 Ω으로 근사할 수 있습니다. LED의 V_F,LED는 전류와 온도에 따라 달라지므로 고정된 2 V로 부품을 판정하지 않습니다.

회로의 위험을 숫자로 보기 위해서만 가정값 V+=5 V, V_F,LED=2 V를 쓰고, 세 입력 다이오드는 차단되며 수신기 전류와 누설을 무시하겠습니다. 그러면 두 저항과 LED 가지를 흐르는 전류는 (5−2)/(10,000+470)≈0.287 mA, 출력은 2+0.287 mA×470≈2.13 V입니다. 이 값은 실제 LED의 전류·전압 곡선을 풀어 얻은 결과도, 특정 기판의 측정값도 아닙니다. 다만 풀업이 5 V에 연결되어 있어도, LED 부하를 단 출력이 5 V가 아닐 수 있음을 보여 줍니다. LED가 이 작은 전류에서 눈에 띄게 켜지는지도 따로 확인해야 합니다.

풀업이 훨씬 작은 100 Ω이고 출력 노드에서 LED가 접지로 직접 이어진 경우에는 위의 10 kΩ+470 Ω 예시를 그대로 대입할 수 없습니다. 모든 입력 다이오드가 차단되고 V+=5 V, V_OUT=2.04 V라고 가정하면 풀업 저항 전류는 (5−2.04)/100≈29.6 mA입니다. 다른 부하와 누설이 없을 때에만 LED 전류도 거의 이 값입니다. 반대로 어느 입력이 LOW가 되면 LED가 꺼져도 풀업 전류가 그 입력의 다이오드로 흐르므로, V_OUT≈0.7 V로 가정해 계산하면 드라이버가 약 (5−0.7)/100=43 mA를 받아야 합니다. LED가 켜진다는 이유만으로 해당 LED·저항·LOW 드라이버의 정격 조건을 만족했다고 판단하지 말고 각각의 허용 전류와 저항의 전력, 실제 출력 전압을 확인합니다.

다음 디지털 입력이 HIGH로 인정하는 최소 전압 V_IH(HIGH-level input voltage)보다 최악 조건의 V_OUT이 높아야 합니다. LOW로 인정하는 최대 전압은 V_IL(LOW-level input voltage)입니다. 수신기 종류와 전원에 따라 두 임계값이 달라지므로, 위의 2.13 V만 보고 합격·불합격을 단정하지 않습니다. 다른 입력이 HIGH라고 불려도 그 전압이 출력보다 충분히 높지 않으면 해당 입력 다이오드가 도통해 출력을 제한할 수 있습니다.

LOW는 입력이 실제로 전류를 받아야 만들어집니다

A만 LOW이고 B·C가 충분히 HIGH라면, 풀업에서 나온 전류는 출력에서 A 쪽 다이오드를 거쳐 A를 구동하는 회로로 흘러갑니다. 그 다이오드가 도통하는 동안 출력은 대략 V_OUT≈V_OL,A+V_D,A입니다. V_OL,A는 전류를 받는 A 구동 회로의 실제 LOW 출력 전압, V_D,A는 그 전류에서 A 다이오드의 순방향 전압입니다. 둘 다 0 V 또는 0.7 V로 고정되는 값이 아닙니다.

예를 들어 V+=5 V, V_OL,A=0 V, V_D,A=0.7 V를 계산 예시로만 가정하면 V_OUT≈0.7 V이고, 풀업 전류는 (5−0.7)/10 kΩ≈0.43 mA입니다. LED 가지가 이 전압에서 사실상 꺼지고 다른 입력 전류가 작다면, A 구동 회로가 대략 이 전류를 받아야 합니다. 이것도 실제 다이오드나 드라이버의 측정치가 아닙니다. A가 LOW라고 설정되어 있어도 필요한 전류를 받으면서 V_OL,A를 낮게 유지할 수 있는지, 동시에 수신기의 V_IL 아래로 출력이 내려가는지 확인해야 합니다. 둘 이상의 입력이 LOW이면 다이오드마다 전류가 똑같이 나뉜다고 가정하지 않습니다.

연결되지 않은 입력은 적극적으로 LOW를 만드는 경로가 아닙니다. 누설 전류와 이전 상태에 남은 전하에 따라 그 입력 전압이 달라질 수 있으므로, 입력이 열린 상태를 동작 표의 LOW로 취급하지 않습니다. 입력마다 구동 방식과 기본 바이어스를 정하고, 전원이 서로 다른 회로에 연결된다면 꺼진 입력 쪽으로 전류가 흘러 들어갈 수 있는지도 확인합니다.

표시등과 논리 입력을 함께 쓸 때의 선택

풀업 저항을 줄이면 LED 부하가 있을 때 V_OUT이 올라갈 가능성은 있지만, 한 입력이 LOW일 때 그 입력이 받아야 하는 전류도 커집니다. 따라서 10 kΩ을 작은 값으로 바꾸기 전에 입력 드라이버의 LOW 전압·허용 싱크 전류와 저항·LED의 전류 조건을 함께 계산합니다. 표시등이 꼭 필요하고 다음 디지털 입력에도 안정적인 전압을 보내야 한다면, 먼저 논리 노드를 고입력 임피던스의 버퍼(buffer)로 읽고 그 버퍼의 출력을 통해 LED를 따로 구동하는 방식을 검토할 수 있습니다. 버퍼를 넣어도 입력 임계값과 전원·전류 정격 검사는 필요합니다.

실제 회로에서 확인할 순서

1. 전원을 끄고 세 다이오드의 막대가 A·B·C 쪽을 향하는지, 10 kΩ이 V+와 출력 사이인지, 470 Ω과 LED가 출력에서 접지로 직렬 연결되는지 확인합니다.
2. V+의 최소·최대와 A·B·C 드라이버의 HIGH·LOW 보장 전압, LOW 싱크 전류, 수신기의 V_IH·V_IL을 해당 부품 자료에서 적습니다. LED의 순방향 전압은 실제로 흐를 전류와 온도 범위에서 확인합니다.
3. 모든 입력을 확실하게 HIGH로 구동한 뒤 V+, V_OUT, 470 Ω 양단 전압을 잽니다. I_LED=V_470/470 Ω, I_PU=(V+−V_OUT)/10 kΩ으로 전류를 계산하고, 출력이 수신기의 V_IH 이상인지 봅니다. 밝기는 논리 HIGH의 증거가 아닙니다.
4. A·B·C를 하나씩 LOW로 만들고 나머지는 HIGH로 둡니다. 각 상태의 입력 전압, 다이오드 양단 전압, V_OUT을 측정해 출력이 V_IL 이하인지, LOW 드라이버가 필요한 전류를 받는지 확인합니다. 두 개 이상 LOW인 조합도 확인합니다.
5. 입력이 개방될 가능성이 있으면 그 상태를 따로 시험하고 기본 바이어스를 정합니다. 전원 투입·차단 때 다른 회로로 전류가 역류하지 않는지도 봅니다.

표시등이 켜지고 꺼지는 모습만으로는 이 회로의 논리 출력을 보증할 수 없습니다. HIGH에서는 풀업과 LED가 만드는 실제 동작점을, LOW에서는 입력 드라이버의 전류 수용 능력과 다이오드 전압을 각각 확인해야 합니다.