工事中です。

4月29日現在、完成度51%です。 ここは重要なので、近いうちに完成させたいです。


[Digital Circuit] ディジタル回路 (digital circuit)

ディジタル回路というのは、簡単に言えば、 (正確ではないですが) 電圧がある決められた電圧より 高いか低いかだけを考えることにして、 考え方や作り方を単純にした回路です。 電圧が低い状態を「L」(Low)、電圧が高い状態を「H」(High)、 と表します。

ディジタル回路に対し、そうでない回路を、アナログ回路と言います。 例えば、「0.3V」と「0.6V」はアナログ回路ではぜんぜん違いますが、 普通、ディジタル回路では同じ「L」と扱ってしまいます。 この、「H」と「L」の、2つの状態しか考えない、 ディジタル回路は、論理数学(ブール代数) を利用して考えることから、 「論理回路」とも呼ばれています。

ディジタル回路の設計をするわけですから、もちろん論理数学の 基礎的な部分は、知っておくにこしたことはありませんが、 知らなくても、回路設計をしているうちに、 必要な知識は、ある程度は自然と身に付くので、 心配することはありません。 かえって数学を意識しない方が良いかもしれません。


ゲート

ディジタル回路の構成要素は、「ゲート」(Gate : 「門」という意味) です。これらの「ゲート」について知っておきましょう。

ゲートの主なものを、以下にあげておきます。 これらの基本的なゲートは、「基本ゲート」と呼ばれます。

どんな複雑なディジタル回路でも、 この、「基本ゲート」の組み合わせでできています。

バッファ

1入力のゲートです。 入力が「H」なら「H」、「L」なら「L」と同じものを出力します。 普段は使いませんが、 これを使うことに意味があることがあります。

NOTゲート(インバーター)

バッファと同じく1入力のゲートです。 入力された状態を反転して、 (つまり、入力が「L」なら「H」、「H」なら「L」を) 出力します。よく使います。

ORゲート

2つ以上の入力を持つゲートです。 入力のうちの少なくとも1つが「H」のとき、 出力は「H」、そうでなければ、 (つまり、すべて「L」なら)出力は「L」になります。

ANDゲート

2つ以上の入力を持ちます。 入力のすべてが「H」なときだけ、出力が「H」になり、 その他の場合(つまり、少なくとも1つが「L」なら) 出力は「L」となります。

NORゲート

ORゲートの出力を反転させたもの、つまり、 入力のうちの少なくとも1つが「H」のとき、 出力は「L」、そうでなければ、 (つまり、すべて「L」なら)出力は「H」になります。

NANDゲート

ANDゲートの出力を反転させたもの、つまり、 入力のすべてが「H」なときだけ、出力が「L」になり、 その他の場合(つまり、少なくとも1つが「L」なら) 出力は「H」となります。

Ex-ORゲート

2つ以上の入力を持ちます。(ほとんど2入力ですが。) 入力のうち偶数個が「H」なら、出力は「L」、 奇数個が「H」なら、出力は「H」になります。 つまり、2入力なら、 両方の入力が同じだと「L」、 違うと「H」を出力します。

Ex-NORゲート

Ex-ORゲートの出力を反転させたものです。 あまり使いません。
実は、NANDゲートだけで、すべてのゲートが表せます。 NORゲートだけでもできます。しかし、これではゲートの数が 多くなってしまうので、いろいろなゲートを使って回路を表します。

そして、どんな複雑なディジタル回路も、前述の通り、 「基本ゲート」の組み合わせでできていますが、 実際には、自分で基本ゲートだけを組み合わせて 回路を作るわけではありません。

ディジタル回路を実現するために、 ディジタルICを使いますが、 これには、基本ゲート各種の他、基本ゲートを組み合わせて、 まとまったある程度の機能を持たせたものもあり、これも使います。

「まとまった機能」には、

などがあります。

回路図での表し方

回路図では、ゲートは、多くの場合、 「MIL記号」というものを用いて表します。 また、ゲートを組み合わせてつくられたデコーダ、 フリップフロップといったディジタル回路は、 機能ごとに、四角で囲って表します。


ディジタルIC

さて、ディジタル回路は、ディジタルIC(ロジックIC)という種類の ICを使って、簡単に作ることができます。

ディジタルICには、ゲートを集めたものや、 ゲートを組み合わせて作った 複雑なディジタル回路がおさめられたものなど、 いろいろな種類があります。 CQ出版社から発売されている、『74シリーズIC規格表』や、 『CNOSデバイス規格表』に、どのようなディジタルICがあるかが 書かれています。

『74シリーズIC規格表』や、『CNOSデバイス規格表』には 載っていませんが、コンピュータを構成するLSIなども、 規模の大きなディジタルICと考えられます。これらは、 『メモリIC規格表 I,II』や、『マイコン周辺LSI規格表』に、 一部載っていますが、これらだけでは、LSIは使えません。 きちんと解説した書籍を用意しましょう。

ディジタルICには、同じ機能のものでも、 電気的特性や電気的定格といった、 アナログ的な部分において違いのある数種類があります。

この数種類は、現在、TTL と、C-MOS の2種類に大別できます。 (他にもECLなどがありますが、ホビーエレクトロニクスでは まず使わないので省略します。) C-MOSは、さらに、昔からあるスタンダード品と、 比較的新しいハイスピード品に分けることができます。 これらの主な違いを示しておきます。

TTL

×消費電流大→ 電池動作の機器には使いづらい
×電源電圧の範囲がせまい (5V±5%)↑
◎速い
◎静電気などにも強い

スタンダードC-MOS

×静電気に弱い
×動作速度がおそい→高速のマイコン回路などには使えない
×出力電流を少ししか流すことができない
◎消費電力が小さい
◎電圧はかなり自由 (3〜18V)
◎面白い種類のICがある

ハイスピードC-MOS

×静電気に弱い
○TTLやスタンダードC-MOSとピン互換
◎消費電力が小さい
◎電圧はあるていど自由 (3〜6V)
ハイスピードC-MOS、さらには、もっと高速に動作する アドバンストC-MOS、Bi C-MOS、 といったものの出現により、 TTLは最近あまり用いられなくなってきました。
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