TTL·CMOS 3.3V·5V 로직레벨 차이

디지털 회로 데이터시트를 보면 TTL, CMOS, 3.3V Logic, 5V Logic 같은 표현을 자주 볼 수 있습니다.

이때 중요한 것은 단순히 전원전압이 3.3V인지 5V인지가 아니라, 입력에서 어떤 전압을 HIGH와 LOW로 인식하는지입니다.

가장 간단하게 보면

TTL = 비교적 낮은 전압에서도 HIGH로 인식

CMOS = 전원전압에 비례해 HIGH·LOW 기준이 정해지는 경우가 많음

이라고 이해할 수 있습니다.

TTL과 CMOS 기본 차이

대표적인 5V 로직 기준을 비교하면 다음과 같습니다.

구분	LOW 입력 최대 VIL	HIGH 입력 최소 VIH
5V TTL	0.8V	2.0V
5V CMOS	약 1.5V	약 3.5V
3.3V CMOS	약 0.99V	약 2.31V

일반적인 CMOS 기준에서는

VIL ≈ 0.3 × VCC

VIH ≈ 0.7 × VCC

형태를 많이 사용합니다. Nexperia도 대표적인 로직레벨 비교에서 5V CMOS의 VIH를 3.5V, 3.3V CMOS의 VIH를 2.31V로 제시합니다.

VIH·VIL은 무엇을 의미할까?

데이터시트에서 자주 보는 기호는 다음과 같습니다.

VIH = HIGH로 인식하는 최소 입력전압

VIL = LOW로 인식하는 최대 입력전압

예를 들어 TTL 입력에서

VIH = 2.0V

라고 되어 있다면 입력전압이 2.0V 이상일 때 HIGH로 정상 인식하도록 규정한다는 의미입니다.

반대로

VIL = 0.8V

라면 0.8V 이하를 LOW로 인식합니다.

0.8V와 2.0V 사이의 전압은 정상적인 HIGH나 LOW로 보장되지 않는 영역입니다.

VOH·VOL은 무엇일까?

입력뿐 아니라 출력전압도 확인해야 합니다.

VOH = 출력 HIGH에서 보장되는 최소전압

VOL = 출력 LOW에서 보장되는 최대전압

예를 들어 Nexperia의 대표적인 5V TTL 기준은

VOH ≥ 2.4V

VOL ≤ 0.5V

수준입니다.

따라서 두 IC를 연결할 때는 단순히 전원전압만 비교하지 않고

출력 VOH > 상대방 입력 VIH

출력 VOL < 상대방 입력 VIL

조건을 확인해야 합니다.

3.3V 출력으로 5V TTL 입력을 구동할 수 있을까?

가능한 경우가 많습니다.

5V TTL 입력은 일반적으로 2.0V 이상을 HIGH로 인식합니다.

따라서 3.3V CMOS 출력이 HIGH에서 약 3V 이상을 충분히 보장한다면 5V TTL 입력의 2.0V 기준을 넘길 수 있습니다.

실제로 TI의 HCT 계열은 CMOS 내부회로를 사용하면서도 TTL 호환 입력을 적용해

VIL max = 0.8V

VIH min = 2.0V

를 사용합니다.

따라서 3.3V MCU에서 5V HCT 입력으로 신호를 보내는 구성은 데이터시트 조건을 만족한다면 사용할 수 있습니다.

3.3V 출력으로 5V CMOS 입력도 괜찮을까?

항상 그렇지는 않습니다.

일반적인 5V CMOS 입력은 HIGH 기준이 약

0.7 × 5V = 3.5V

일 수 있습니다.

그런데 3.3V 출력은 이보다 낮습니다.

즉

3.3V 출력 → 5V CMOS VIH 3.5V

라면 HIGH가 확실하게 보장되지 않을 수 있습니다.

이 경우에는 TTL 호환 입력 제품을 사용하거나 레벨 시프터(Level Shifter)를 사용하는 것이 안전합니다.

5V 출력을 3.3V 입력에 바로 연결해도 될까?

주의해야 합니다.

논리적으로 HIGH라고 인식하는 것과 입력단자가 5V를 견딜 수 있는지는 다른 문제입니다.

3.3V MCU 입력에 5V를 직접 넣으면 해당 핀이 5V Tolerant가 아닌 경우 절대최대정격을 초과해 손상될 수 있습니다.

따라서 반드시 데이터시트에서

Input voltage

Absolute Maximum Ratings

5V tolerant

항목을 확인해야 합니다.

5V를 허용하지 않는 입력이라면 레벨 시프터나 적절한 변환회로가 필요합니다.

HCT는 왜 TTL과 CMOS 사이에서 자주 등장할까?

HCT는 High-speed CMOS, TTL-compatible 계열입니다.

즉 내부는 CMOS 방식이지만 입력전압 기준을 TTL과 호환되도록 만든 제품입니다.

예를 들어 TI SN74HCT04는 4.5~5.5V에서 동작하면서 TTL-Compatible CMOS Input을 사용합니다.

그래서 3.3V 로직에서 5V 회로로 신호를 전달할 때 HCT 계열이 유용한 경우가 있습니다.

3.3V와 5V가 다르면 무조건 레벨 시프터가 필요할까?

항상 필요한 것은 아닙니다.

예를 들어

3.3V 출력 → 5V TTL 입력

처럼 논리레벨 조건이 맞는다면 직접 연결할 수 있는 경우가 있습니다.

하지만

5V 출력 → 3.3V 비내압 입력

또는

3.3V 출력 → 5V 일반 CMOS 입력

처럼 조건이 맞지 않는 경우에는 변환이 필요합니다.

따라서 단순히 전압 숫자만 보고 판단하지 말고 실제 데이터시트의 VIH, VIL, VOH, VOL, Absolute Maximum Rating을 비교해야 합니다.

실제 사양은 어떻게 읽을까?

예를 들어 입력 사양이

VCC = 5V
VIH min = 2.0V
VIL max = 0.8V

라면 이 장치는 5V 전원으로 동작하지만 입력은 TTL 호환 레벨이라고 판단할 수 있습니다.

반대로

VCC = 5V
VIH min = 3.5V
VIL max = 1.5V

라면 일반적인 CMOS 입력에 가까운 특성입니다.

따라서 둘 다 5V IC라고 해도 3.3V 신호와의 호환성은 다를 수 있습니다.

정리

TTL과 CMOS의 가장 큰 차이 중 하나는 HIGH와 LOW를 판단하는 전압 기준입니다.

대표적으로

5V TTL → VIH 약 2.0V / VIL 약 0.8V

5V CMOS → VIH 약 3.5V / VIL 약 1.5V

3.3V CMOS → VIH 약 2.31V / VIL 약 0.99V

수준으로 볼 수 있습니다.

따라서 3.3V와 5V 장치를 연결할 때는 단순히 전원전압만 볼 것이 아니라 VIH → VIL → VOH → VOL → 5V 내성 여부를 함께 확인하는 것이 중요합니다.

특히 3.3V 출력이 5V TTL에는 호환될 수 있지만 5V 일반 CMOS에는 부족할 수 있고, 5V 출력을 3.3V 입력에 넣을 때는 손상 가능성까지 확인해야 한다는 점을 기억하면 좋습니다.