デジタル回路ガイド – デジタル回路またはデジタル電子機器は、デジタル信号を使用する電子機器である。アナログ回路とは異なり、アナログ回路はアナログ信号を操作し、アナログ信号の操作は信号の減衰、製造公差、ノイズの影響を受けやすいからです。 通常、設計者は集積回路上の大型論理ゲートの組み合わせを使ってデジタル回路を作る。
この友好的なガイドラインでは、デジタル回路に関するすべてのことをご理解いただけます。詳しくはお読みください。
デジタル回路ガイド – デジタル回路の歴史
1705年、ゴットフリート・ウィリアム・ライプニッツはバイナリーデジタルシステムを整備した。ライプニッツは、バイナリーシステムを使うことで、算数や論理を取り入れることができるという原則を立てました。19世紀半ば、ジョージ・ブルは私たちが今日知っているデジタル哲学を構想した。その後、1886年、チャールズ・サンダース・ピアストは科学者がどのように回路を変換して論理演算を実現するかを説明しました。そして、設計者はリレーの代わりに真空管を使って論理演算を行うようになりました。
第二次世界大戦後のデジタルコンピュータの発展に伴い、数値計算はアナログ計算の代わりになった。やがて、純粋な電子回路素子は機械と電気機械素子の代わりになった。
1959年、Mohamed AtallaとDawon KahngはMOSFETトランジスタを発明し、電子工業を大きく革新した。20世紀後半から、MOSFETトランジスタはデジタル回路の構築に欠かせない役割を果たした。現在、世界で最も人気のある半導体デバイスです。
当初、集積回路チップごとにいくつかのトランジスタしかありませんでした。技術の進歩に伴い、一つのチップに数百万個のMOSFETトランジスタを置くことが可能になった。今日、デザイナーは一つのチップに数十億個のMOSFETトランジスタを置くことができる。これはデジタル回路が初期から進歩している証拠です。
2.デジタル回路ガイド – デジタル回路の特性
すでに述べたように、デジタル回路がアクセスしやすい最大の理由の1つは、ノイズの影響を受けずにデジタルで表示しやすいことです。たとえば、伝送中に拾った音がルートの識別に十分でない限り、連続したオーディオ信号は誤差なく1と0の順序で再構成されます。
デジタルシステムでより正確な表現を得るために、より多くの2進数を使用して信号を表すことができます。もちろん、これにはより多くのデジタル回路が必要ですが、同じハードウェアで各デジタルを処理するため、システムは簡単に拡張できます。新しい解像度を生成するためにノイズ特性と直線性を根本的に改善する必要があるシミュレーションシステムでは、状況が異なります。
コンピュータ制御のデジタルシステムを使用する場合は、ソフトウェアを変更することで、より多くの機能を追加できます。つまり、ハードウェアの変更は一切必要ありません。しかも、ソフトウエアを更新するだけで、デジタルシステムの改良を工場外に持ち出すことができるのです。
デジタル回路のもう一つの特性は、よりアクセスしやすい情報の保存を可能にすることです。これは、デジタル・システムが干渉の影響を受けにくく、性能を低下させることなくデータの保存や取り出しができるためです。
最新のデジタルシステムの多くは、連続したアナログシステムをデジタル信号に変換するのが一般的だ。このため、量子化誤差が生じることがあります。これらの誤差を最小限に抑えるため、デジタルシステムが信号を望ましい忠実度で表現するために十分なデジタルデータを保存できることを確認します。
3.ディジタル回路の構成
論理ゲートの構成は、技術者によってさまざまな方法がとられている。以下、そのいくつかを紹介する。
3.1 デジタル回路ガイド – 論理ゲートを用いた構成
デジタル回路を製造する場合、一般的にロジックゲートと呼ばれる小型の電子回路を使用してデジタルコースを作成する。この論理ゲートを用いると、組合せ論理を構成することができる。各論理ゲートは論理信号に作用してブール論理の機能を発揮する。一般に、設計者は電子的に制御されたスイッチを用いて論理ゲートを作成する。通常、このスイッチはトランジスタである。また、サーミオニックバルブも同じ働きをするのに役立ちます。ある論理ゲートからの出力は、他の論理ゲートに供給したり、それらを制御することができる。
3.2 ルックアップテーブルを用いた構成
デジタル回路の2つ目のタイプは、ルックアップテーブルを使った構成である。一般に、ルックアップテーブルは論理ゲートを用いたデジタル回路と同様の機能を持つ。ルックアップテーブルを用いたデジタルチャンネルは、配線を変更することなく、簡単に再プログラムができることが大きな特徴である。つまり、配線を変更することなく、設計ミスを簡単に修正することができるのだ。そのため、少量生産の製品では、他のデジタル回路よりもプログラマブルロジックデバイスが好まれる。このようなプログラマブル・ロジック・デバイスの設計には、通常、設計自動化ソフトウェアが使用される。
3.3 デジタル回路ガイド – 集積回路
集積回路は、1つのシリコンチップに複数のトランジスタを搭載したものである。この方法は、大量の論理ゲートを相互接続するために最も安価な方法です。通常、設計者はプリント基板（PCB）上で集積回路を相互接続する。PCBとは、さまざまな電気部品を搭載し、銅の配線で接続する基板である。
4.デジタル回路の設計
デジタル回路の設計では、論理の冗長性を減らすためにさまざまな工夫がなされ、回路の複雑さを最小限に抑えている。では、なぜ回路を複雑にしないことが重要なのだろうか。複雑さを最小限に抑えることで、部品点数を減らし、潜在的なエラーを回避し、結果としてコストを抑えることができるからです。ロジックの冗長性を減らす手法としては、ブール代数、2進決定図、クワイン・マクラスキー・アルゴリズム、カルノーマップ、ヒューリスティック計算機法などがよく知られている。ソフトウェアエンジニアは通常、これらの操作を行うためにヒューリスティックコンピュータ法を使用します。
4.1 表現
デジタル回路の設計では、表現が重要な役割を果たす。デジタル回路の表現方法としては、論理ゲートの等価系を用い、各論理記号を異なる形状で表現する方法が一般的である。また、電子スイッチの等価系を構築してデジタル回路を表現することもできる。表現には通常、自動解析のための数値ファイル形式がある。
4.1.1 組合せとシーケンシャル
画像を選択する際、設計者は通常、さまざまなタイプのデジタルシステムを検討します。デジタルシステムの一般的なグループは、組合せシステムとシーケンシャルシステムの2つです。組合せシステムは、同じ入力に対して同じ出力を提示する。一方、逐次システムは、出力の一部を入力としてフィードバックする組合せシステムである。
さらに逐次系には、一度に状態が変化する同期逐次系と、入力が変化するたびに状態が変化する非同期逐次系がある。
4.1.2 コンピュータの設計
コンピュータは最も普通の汎用レジスタ転送型論理装置である。機械は自動二進法そろばんである。マイクロシーケンサがネットワークの制御装置を動かしており、それ自体がマイクロプログラムである。大半のコンピュータは同期式であるが、非同期式のコンピュータも市場に出てきている。
4.2 デジタル回路における設計上の留意点
デジタル電子回路では、アナログ部品を使用するため、そのアナログ性がデジタル動作の妨げになることがある。そのため、デジタル回路の設計では、タイミングマージン、ノイズ、静電容量、寄生インダクタンスなどを管理する必要があります。
4.3 デジタル回路設計ツール
長年にわたり、エンジニアはコストのかかるエンジニアリング作業を最小限にすることを目的として、大規模な論理マシンを設計してきました。現在、この目的のために、電子設計自動化ツール（EDA）と呼ばれるコンピュータ・プログラムが存在する。例えば、製造可能なソフトウェアがあり、デジタル回路の設計者に優れた支援を提供している。
4.4 論理回路のテスト
エンジニアが論理回路をテストする主な理由は、設計がタイミングと機能の仕様を満たしているかどうかを確認するためです。デジタルチャンネルの各コピーを検査し、製造工程で欠陥が発生していないことを確認することが重要である。
5.デジタル回路設計の留意点
デジタル回路設計の進歩はゆっくりではあるが、着実に進んでいる。ここでは、その歩みを様々なロジック・ファミリーを見ながらたどっていくことにする。
5.1 リレー
デジタルチャンネルの最初の設計は、リレー論理を採用していました。この設計は信頼性が高く、安価であった。しかし、速度が遅く、時々機械的な故障が発生した。接点にアークを発生させるファンアウトが10個もあるのが普通であった。
5.2 バキューム
リレーロジックに続いて登場したのがバキュームロジックである。バキュームの最大の利点は、高速であることであった。しかし、真空は発熱が大きく、フィラメントが焼損することもしばしばあった。1950年代にコンピュータチューブが開発されると、数十万時間の動作が可能になり、真空は大きく改善された。
5.3 抵抗-トランジスタロジック
これは最初の半導体ロジックファミリーである。抵抗トランジスタロジックは、真空管の何千倍もの信頼性があった。消費電力も少なく、動作温度も低い。しかし、ファンアウトが非常に少なかった。合計3個である。その後、ダイオードトランジスタの登場により、ファンアウトは7に増え、消費電力もさらに小さくなった。
5.4 トランジスタ-トランジスタ・ロジック
従来のロジックに比べ飛躍的に改善され、ファンアウトは10であった。その後、ファンアウトは20に改善された。この論理は、速度も非常に速かった。現在でも特定のデジタル回路の設計に使われている。
5.5 エミッタ結合型ロジック
エミッタ結合型は、驚くほど高速です。しかし、このロジックは多くの電力を消費する。中型の部品を使った高性能なコンピュータに多く使われている。
5.6 CMOSロジック
CMOSロジックは、今日の集積回路に最も多く使用されているロジックです。高速で、回路密度が高く、論理ゲートあたりの消費電力が少ないのが特徴です。大規模な高速コンピュータでさえこのロジックを使用しています。
デジタル回路分野の最新の発展
デジタル回路ガイド – デジタル回路分野の研究者は最近大きな進展を遂げた。いくつかの例を挙げましょう。
6.1メモリブロッカーの使用
例えば、2009年、研究者たちはメモリブロッカーがブール状態のストレージを実現できることを発見しました。これは完全な論理シリーズを提供して、簡単なCMOSプロセスを採用して、消費電力とスペースが小さいです。
6.2 RSFQの発見
研究者は超伝導性も発見した。この発見により、エンジニアたちはトランジスタではなくジョセフソン接合を利用した高速単流束量子(RSFQ)回路技術を開発することが可能になった。エンジニアたちは最近、非線形視覚要素を使ってデジタル情報を処理できる純粋な光学計算システムの構築を試みている。
サマリー
デジタル回路ガイド – デジタル回路は今日のデジタル電子とコンピュータ処理の中核である。これらの回路はノイズや品質低下の影響を受けにくいため、アナログ回路よりも人気があります。エンジニアや研究者がデジタルチャンネルの分野に取り組んでいる進歩に伴い、これらのデバイスの設計と性能はますます良くなるだけです。
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