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目次

デジタル回路

デジタル回路とは、デジタル動作を行う電子回路である。

論理回路とロジック回路

  • 論理回路
    • 主に論理、即ち0,1の動作を論じる場合
  • ロジック回路
    • ゲート回路(ゲートIC)を組み合わせて作った回路で、電圧H,Lで論じる場合

ゲート

 ゲート回路(略してゲート)とは論理演算を実際のデバイスで実現したものである。ゲートは次の7種類が存在する。

  • 入力される信号の論理を反転させて出力
    • NOTゲート
  • 基本の論理演算
    • ANDゲート
    • ORゲート
    • ExORゲート【イクスクルーシブ】
  • 基本の論理演算とNOTゲートを組合わせて出力の論理を反転させて出力
    • NANDゲート【ナンド】
    • NORゲート【ノア】
    • ExNORゲート【イクスクルーシブ・ノア】

 ゲートICとはこれらのゲートを内蔵しているICである。

特殊なタイプ

 ゲートには、信号の受信および送信を行う回路の構成により、次のようなタイプが存在する。

  • シュミット型(タイプ)
    • 入力にヒステリシス特性を持たせている。
  • アンバッファ型(タイプ)
    • ゲート1段で構成されている。
  • オープンドレイン型(タイプ)
    • 出力バッファのPチャネルのドレインが開放されている。

論理回路のスピード

 論理ゲートが入力を受け取って出力を求めるまでに、わずかだが時間がかかる。つまり、入力が変化すると、すぐに出力がそれに合わせて変化をせずに、ほんの一瞬だけ送れて出力が変化するのである。

 このような入力が変化してから出力が変化するまでの遅れの時間、即ち論理ゲートの信号が通るのにかかる時間のことを論理遅延(logic delay、または単にdelay)と呼ぶ。

例:74HC00の論理遅延はデータシートに記述されています。

http://hobby_elec.piclist.com/pdf/j_hd74hc00.pdf ◇

 74HC00はかなり遅い部類であり、論理遅延は10[ns]程度(1nsは10億分の1秒)である。ちなみに、PCの中に入っているICは早い物で10[ps](1psは1兆分の1秒)になる。

デジタル回路の誤作動とその対策

  • 出力短絡
    • オープンコレクタ型を除き、CMOS ICの出力同士を接続することは、信号の衝突を起こす危険があるので禁止されている。
      • ただし、特性の揃っている同一パッケージ内のゲートを繋ぐことは可能である。この場合、出力バッファの駆動力が増す。
    • レイアウトのミスで出力をGNDに短絡されてしまうことが考えられる。
      • この場合、出力がハイレベルの論理になった場合、電源から出力を通じてGNDラインに多量の電流が流れることになってしまう。
  • スロークロック
  • 静電破壊
  • 電流パスによるデバイス破壊
    • システムの中で異なる電源のデバイス同士が接続されていて、それぞれの電源電圧が異なるタイミングでON/OFFされているときには注意が必要である。
      • 例えば、ONのデバイスから、OFFのデバイスの入力や出力の保護回路に電流が流れてしまった場合、OFFのデバイスにダメージを与えることがあるからである。
      • このようなシステムには、入出力にトレラント機能を備えたものを使うとよい。例えば、74LCXシリーズや74VCXシリーズなどが該当する。
      • トレラント機能を持つデバイスであるか否かを見分けるためには、データシートのDC規格内にIOFFという規格が保証されているかどうかをチェックすればよい。
  • チャタリング
  • ワイヤボンディング
    • 半導体メーカーのボンディング工程上の不具合によるもので、ボンディング装置や条件、そして管理の問題である。
  • メタライゼーション
    • メタルの段切れや写真蝕刻技術の欠陥、IC設計・製造にかかわる半導体メーカーの問題
  • ラッチアップ
  • メタル腐蝕
  • ショート
    • MOS FETのゲート酸化膜上のピンホールによるショート
    • 過電圧破壊によるショート
    • メタルショート
  • エレクトロマイグレーション
  • ストレスマイグレーション
  • ファンアウト
  • ノイズ
  • 単純なミス
    • ICの逆指し

参考文献

  • 『汎用ロジックIC』
  • 『デジタル回路の「しくみ」と「基本」』