전자공학/전자회로

High, Low, High Z

안녕 나의 20대 2025. 1. 21. 18:59
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1. High(1) 상태

  • 정의: 출력이 ‘논리 1’을 나타내는 상태로, 일반적으로 회로의 전원 전압(VCC 근처) 수준에 가까운 전압값을 가짐
    • 예: 5V 계열 회로에서는 약 5V 근처, 3.3V 계열 회로에서는 약 3.3V 근처
  • 특징:
    • 디지털 논리에서 ‘1’ 또는 ‘TRUE’로 인식
    • 회로가 이 출력을 적극적으로 구동하여, 신호선을 높은 전압으로 만든 상태

2. Low(0) 상태

  • 정의: 출력이 ‘논리 0’을 나타내는 상태로, 회로의 GND(접지) 수준에 가까운 전압값을 가짐
    • 예: 5V 계열 회로에서는 약 0V 근처
  • 특징:
    • 디지털 논리에서 ‘0’ 또는 ‘FALSE’로 인식
    • 회로가 이 출력을 적극적으로 구동하여, 신호선을 낮은 전압(접지)에 가깝게 만든 상태

3. High Impedance(Z) 상태

  • 정의: 출력이 회로에 ‘거의 연결되지 않은(open)’ 상태처럼 보이게 만드는 것.
    • 어떤 특정 전압 수준으로 구동하지 않음(즉, ‘High’도 ‘Low’도 아님)
    • 입출력이 아닌 “출력” 핀을 이 상태로 만들면, 내부적으로는 출력 트랜지스터가 모두 꺼진(open) 상태가 되어, 출력이 외부로 전류를 거의 공급하거나 소모하지 않도록 함
  • 특징:
    1. 출력이 버스(bus)나 공용선에서 충돌(conflict) 없이 공유될 수 있도록 함.
      • 예: 여러 디바이스가 한 신호선을 번갈아가며 구동해야 할 때, 실제 데이터를 구동하지 않는 디바이스들은 Z 상태로 만든다.
    2. 출력이 확실한 0/1 상태가 아니므로, 외부 회로에서 풀업(pull-up)이나 풀다운(pull-down) 저항을 사용하여 선을 특정 레벨로 유도해야 한다.
      • 풀업/풀다운이 없으면 임의 전압(‘floating’)이 되어 예측 불가능한 값이 될 수 있다.
    3. 디지털 IC에서 Tri-state, Three-state, 3-state라고도 불림
      • ‘Z’ 상태는 FPGA/마이크로컨트롤러에서 I/O 핀을 “입력” 모드로 설정할 때도 비슷한 효과(외부로 구동하지 않음)를 얻을 수 있다.
    4. 측정 시 주의: 멀티미터나 오실로스코프로 Z 상태를 측정하면, 특정한 안정된 전압이 아닌 ‘뜨는’ 값이 보일 수 있다.
      • 이는 내부적으로 드라이빙이 없어서, 측정 환경(계측기/회로/주변 노이즈 등)에 따라 전압이 변하기 때문
        번외로 High Impedance 상태가 필요한 이유와 활용 
        1. 버스 구조에서의 충돌 방지
          • 예: 마이크로프로세서와 여러 주변장치가 한 데이터 버스(D0~D7 등)를 공유할 때
          • 한 순간에는 단 한 기기만 버스에 데이터를 내보내고, 나머지 기기들은 Z 상태로 둬야 신호 충돌을 피할 수 있음
        2. 양방향 포트 구현
          • GPIO(일반 목적 입출력)를 한 순간에는 출력으로, 다른 순간에는 입력으로 사용하려면
          • 출력이 필요 없을 때 Z(또는 입력) 상태로 전환해 외부 신호를 안전하게 읽을 수 있음
        3. 저전력 동작
          • Z 상태일 때는 해당 핀에 구동 전류가 흐르지 않아 전체 소모전력을 줄일 수 있음
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