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デジタル回路(デジタルかいろ)は、回路上で2種類の電圧を情報の表現に用いる電子回路である。通常は、0Vに近い電圧と5Vや3V、1.2Vといった電源電圧に近い電圧であり、これらはそれぞれ"Low"と"Hi"、又は"L"と"H"と表現され、正論理式での"0"と"1"に相当する。

アナログ回路と対称の概念として扱われる。

◆ 概要

基本的なデジタル回路は、AND(論理積)、OR(論理和)、NOT(論理反転)のブール代数の基本演算を行なう回路が複雑に組み合わされたものである。論理設計の観点におけるデジタル回路に関する基本的な説明は、論理回路の項を参照されたい。

デジタル回路は、その機能に応じて様々な回路が考案されている。以下の代表的なデジタル回路については、それぞれの項目に詳細な説明があり汎用ロジックICにこれらの製品に関する説明がある。

・ フリップフロップ

・ カウンタ

  ・ プログラマブル・カウンタ

・ シフトレジスタ

・ 位相同期回路

・ 加算器、乗算器

・ デジタル-アナログ変換回路

・ アナログ-デジタル変換回路

◆ 電圧レベル

デジタル回路では2つの電圧レベルを、二進数または論理レベルの"0"と"1"を表すために使う。正論理(アクティブ・ハイ)では、Lowは二進数"0"、Hiは二進数"1"を表し、負論理(アクティブ・ロー)では逆の意味に使われる。たとえば、0から1.5ボルトは論理0、3.5から5ボルトは論理1というようになる。1.5から3.5ボルトの間はスレッシュホールド・レベルと呼ばれる論理遷移時以外では禁止された電圧領域であり、HiとLowの入力の区別がつかないために動作の保証が得られなくなる。論理遷移の期間というのは、通常は過渡的な現象であり、ほとんどの回路は純粋な抵抗回路ではないので電圧レベルがすぐに変化しないことによって起こる。このような異常状態を検知できる論理回路もあるが、多くの場合、後段の回路では前段の回路での遷移によって出力を変化させる前に前段の遷移が終了しHi又はLowに安定するが、前段の回路での遷移に時間が掛かれば、後段回路では入力をHi又はLowのいずれかとして解釈する。

CMOSによるデジタル回路の場合、その内部構造の都合上、この異常状態にある間は回路が大量の電力を消費してしまう。このため、異常状態を長く継続させてしまうと発熱により素子が破壊されるため、異常状態の継続を避ける回路上の工夫が必要となる。

一方、波形の立ち上がりと立ち下がりで論理遷移の値を意図的に異なる値とすること(ヒステリシス、履歴現象)で異常状態を回避する方法があり、シュミットトリガと呼ばれる。抵抗器の接続により容易に実現可能であるほか、専用の汎用ロジックICもある。

電源電圧が同じCMOSとTTLが同一回路上に混在している場合、CMOSの出力をTTLに入力することは問題ないが、その逆はTTLのHレベル出力電圧の下限がCMOSのHレベル入力電圧の下限を満たさないため、誤動作する可能性がある。このようなときは、TTLの出力をプルアップするなどの処理が必要となる。TTLの出力電圧範囲の入力を許容するCMOSの標準ロジックICもあり、このようなシリーズは74HCTxxx、74ACTxxxのように、型番にTの文字が入っている。

初期のデジタル回路では、シリコン基板上へのトランジスタの形成の制限によりPMOS、又はNMOSにより回路内部を構成していた。この場合、入力が"Low"の時にはあまり電力を消費しないが入力が"Hi"の時には大きく電力を消費する、又はその逆の特性を持つため、この都合に合わせてアクティブ・ハイで論理回路を設計するか、アクティブ・ローで論理回路を設計するかが消費電力削減には重要な意味を持っていた。

◆ プルアップ・プルダウン

上で述べたように、デジタル回路の入力は原則として"Hi"または"Low"の電圧が印加されていなければいけない。"Hi"と"Low"の中間の電圧になると、内部状態が不安定になったり、消費電力が著しく増加したりする。また、"Low"よりも低い電圧や"Hi"よりも高い電圧が印加されると、設計外の電流の流れが発生して回路の破壊などが起こりえる。

一般に、デジタル回路の入力端子は内部インピーダンスが高い(電源回路との絶縁性が高い)ため、入力端子がどこにも接続されない状態にあると、近辺の静電気や電磁誘導によって予期せぬ電圧が印加される可能性がある。このため、例えば入力端子など外部と接続される部分では、たとえそこに何も接続されていない状態で異常な電圧が加わっても内部の回路に障害を受けないよう工夫しておかなければならない。このような入力端子がどこにも接続されていない状態は「浮いている」と表現されることが多い。

このような場合には、数kΩから数百kΩという比較的高い値の抵抗器で、電源電圧または接地電圧を供給している線と入力端子とを接続する。電源線に接続することを「プルアップ」と呼び、しばしば「電源に吊りあげる」などと表現することもある。また、接地線(グランド)に接続することを「プルダウン」と呼び、しばしば「グランドに落とす」などと表現する。

プルアップまたはプルダウンされた入力端子に、出力端子が何も接続されていない状態の時には、プルアップ抵抗またはプルダウン抵抗によって大きな電磁誘導が起こらない限りは電源電圧または接地電圧が保たれる。

ここに他のデジタル回路の出力端子が接続された場合、デジタル素子の出力回路は内部インピーダンスが極めて低いことより、プルアップやプルダウンに使われた抵抗値がほぼ無視できる状態になる。大小異なる抵抗を持つ2つの抵抗器を並列に接続した場合、電流は小さな抵抗側により多く流れて、大きな抵抗側には電流はそれほど流れない。このため、抵抗値の大きなプルアップやプルダウンの抵抗器の有無は端子に接続された状態での動作にはそれほど影響しない。

プルアップ抵抗の値は、大きすぎると絶縁とあまり変わらない状態になり、電磁誘導などに弱くなってしまう。しかし、小さすぎるとそこに接続される出力素子に大きな電流を流す要因となり、回路の消費電力の増大や最悪の場合出力素子の破損につながることになる。

入力端子につながる信号線が、通信線などのように比較的長い距離を持つものである場合、その線で電磁誘導が起こって電源電圧や接地電圧の範囲外の異常電圧が加わる可能性が高くなる。こういった場合には、プルアップ抵抗に並列にダイオードを挿入し、異常電圧による電流が電源線のほうに逃げてデジタル回路素子内に流れ込まないように工夫をする。この用途のダイオードは「クランプダイオード」と呼ばれる。デジタル入力の保護目的以外でも、電圧値域を制限する目的のダイオードはクランプダイオードと呼ばれる。

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