MOSFETで論理回路を実現する

2024年7月13日

MOSFETを活用すれば論理回路を作れる

NチャネルとPチャネルのMOSFETはゲートに電圧がかかっているかで、スイッチングを実現できます。

お互い逆の動作をするので、うまく組み合わせると論理演算を実現する回路、論理回路すなわちを実装できます。

MOSFETでAND回路を組む

A	B	Z
0	0	0
0	1	0
1	0	0
1	1	1

1：AND回路の入出力に着目する

入力はAとB、出力はZです。まだAND回路の中身はブラックボックスで構いません。

2：単純なワイヤリングを考察する

まず単純に入出力を直接電線でつないでみます。

真理値表における「A=B=0」「A＝B=1」のときを満たしています。

しかし、「A=0、B＝1」のとき、青い矢印のように電流がAに逆流してしまいます。

※AとBにダイオードを挟めば逆流を防止できます。

以降では、真理値表の残りの2パターンを満たす回路を考えてみます。

3：スイッチを利用した回路にする

AとBをスイッチを制御することと見なせば、次の回路のように直列化すればよさそうです。

これでAND演算の真理値表は満たします。

4：MOSFETでスイッチを実現する

ここではスイッチをMOSFETで実現するものとします。

入力が1のときに電流を流せるようにするには、NチャネルMOSFETを用います。

NチャネルMOSFETはゲートが1なら電流を流し、0なら流しません。

これで置き換えると次のようになります。

しかし、まだリアルな回路としては不完全です。

A=0か、B=0なら、VccとZは切断された状態です。つまり、Zには何も接続されておらず、安定した信号を出力できません。

そこで、この状態のとき確実にZ=0にするために、次のように回路を追加します。

5：各パターンを確認する

[1]A=B=0の場合

ONは導通、OFFは遮断になります。

[2]A=0、B=1の場合

[3]A=1、B=0の場合

[4]A=B=1の場合

ゆえに、MOSFETでAND回路を組み立てできました。

MOSFETでOR回路を組む

A	B	Z
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	1

A＝B＝0のときに、Zが接続されてない状態になり、不安定になります。

これを解決するために、次のように回路を追加します。

AND回路の逆さまになっています。

[1]A=B=0の場合

[4]A=0、B=1の場合

[3]A=1、B=0の場合

[4]A=B=1の場合

MOSFETでNOT回路を組む

A	Z
0	1
1	0

MOSFETによるAND回路において、A=Bをつないでしまいます。

するとNOT演算を実現できます。

ただし、同じ回路が並列に組み込まれているわけで、部品的には無駄が多いので、次のように最適化できます。

[1]A=0の場合

[2]A=1の場合

おわりに

Turing Completeでは、NANDからスタートして論理演算を実現しました。

当該ページでは、MOSFETでAND・OR・NOT演算を実現できました。

後は組み合わせれば、別の論理回路を組めます。

参考文献

P28-39

P51-58