デジタル回路構築 デジタル回路やデジタルエレクトロニクスは、デジタル信号を使用するエレクトロニクスです。アナログ回路は、信号減衰、製造許容度、ノイズの影響を受けるアナログ信号で動作するという異なり、設計者は集積回路上の論理ゲートの大規模なアセンブリを使用してデジタル回路を作ります。
このフレンドリーガイドでは、デジタル回路に関する全てをお知らせします。詳細については、こちらをご覧ください。
デジタル回路の簡単な歴史
1705年、ゴットフリート・ヴィルヘルム・ライプニッツは2進数システムを改良しました。ライプニッツは、バイナリシステムを使用して、算術と論理の原則に参加することが可能であることを確立しました。19世紀半ば、ジョージ・ブールは今日知っているようにデジタル哲学を考え出しました。その後、1886年、チャールズ・サンダース・パースは、科学者が電気スイッチング回路を切り替えることによって論理的な操作を行う方法を説明しました。その後、ロジック操作用のリレーの代わりに、設計者は真空管を使用し始めました。
第二次世界大戦後のデジタルコンピュータの開発に伴い、数値計算はアナログに置き換えられました。すぐに、純粋に電子回路要素は、その機械的および電気機械の対応から引き継ぎました。
1959年、モハメド・アトラとダボン・カーンはMOSFETトランジスタを発明し、エレクトロニクス業界に劇的な革命をもたらしました。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おいて不可欠な役割を果たしました。現在、世界で最も人気のある半導体デバイスです。
最初は、各集積回路チップにはトランジスタがわずかしかありませんでした。技術が進歩するにつれて、何百万ものMOSFETトランジスタを1つのチップに入れるようになった。今日、設計者は、1つのチップに数十億のMOSFETトランジスタを配置することができます。これは、デジタル回路が初期からどこまで進んでいるかの証拠です。
2. デジタル回路の特性
前述のように、デジタル回路が非常にアクセスしやすい最大の理由の1つは、ノイズを劣化させることなくデジタルで表現しやすいということです。たとえば、送信中に拾われた音が経路の識別を妨げるには十分でない限り、連続する音声信号はエラーなしで1sと0 sの順序で再構築することができます。
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現することができます。もちろん、それはより多くのデジタル回路を必要としますが、同じ種類のハードウェアが各番号を処理するので、システムは容易にスケーラブルです。ノイズ特性の根本的な改善と、新しい解像度を生み出す直線性を必要とするアナログシステムでは、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している場合は、ソフトウェアリビジョンを使用してさらに多くの機能を追加することができます。つまり、ハードウェアを変更する必要はありません。さらに、ソフトウェアを更新するだけで、工場外のデジタルシステムに改良を加えることができます。
デジタル回路のもう一つの特性は、情報のよりアクセスしやすいストレージを可能にすることです。これは、デジタルシステムは干渉の影響を受けず、パフォーマンスを低下させることなくデータを保存および取得できるためです。
最新のデジタルシステムの多くは、通常、連続アナログシステムをデジタル信号に変換します。これにより、量子化エラーが発生する可能性があります。これらのエラーを最小限に抑えるために、デジタルシステムが信号を適切な程度の忠実度に表現するのに十分なデジタルデータを保存できることを確認してください。
3. デジタル回路構築
エンジニアは、論理ゲートを構築するためにさまざまな方法を使用します。以下でそれらのいくつかを調査します。
3.1 ロジックゲートを用いた構築
デジタル回路の製造業者は、通常、論理ゲートと呼ばれる小さな電子回路を使用してデジタルコースを作成します。これらのロジックゲートを使用すると、組み合わせロジックを作成することができます。各ロジックゲートは論理信号に作用して、ブール論理の機能を実行します。一般に、設計者は電子制御スイッチを使用してロジックゲートを作成します。通常、これらのスイッチはトランジスタです。テルミオンバルブも同じ仕事をするのに役立ちます。1 つのロジック ゲートからの出力は、他のロジック ゲートにフィードしたり、それらを制御することができます。
3.2 ルックアップテーブルを使用した構築
2番目のタイプのデジタル回路は、ルックアップテーブルからの構造を特徴としています。通常、ルックアップ テーブルは、論理ゲートに基づくデジタル回路と同様の機能を実行します。ルックアップ テーブルに基づくデジタル チャネルの大きな利点は、設計者が配線を変更しなくても簡単に再プログラムできることです。つまり、ワイヤの配置を変更することなく、設計エラーを修復するのは簡単です。少量の製品を扱う場合、設計者は、他の種類のデジタル回路よりもプログラマブルなロジックデバイスを好みます。これらのプログラマブルロジックデバイスの設計では、エンジニアは通常、設計自動化ソフトウェアを使用します。
3.3 集積回路
集積回路の構築では、1つのシリコンチップ上で複数のトランジスタを使用します。これは、相互接続されたロジック ゲートの大量を作成する最も手頃な方法です。通常、設計者はプリント基板(PCB)の集積回路を相互接続し、様々な電気部品を保持し、銅線と接続する基板です。
4.デジタル回路の設計
デジタル回路の設計では、エンジニアはさまざまな方法でロジックの冗長性を減らし、回路の複雑さを最小限に抑えます。しかし、なぜ回路の複雑さを低く抑える必要があるのでしょうか? 複雑さを最小限に抑え、潜在的なエラーを回避し、コストを低く抑えます。論理の冗長性を低減する最も一般的な手法には、ブール演算、バイナリ決定図、Quine-McCluskey アルゴリズム、Karnaugh マップ、ヒューリスティック コンピュータメソッドなどがあります。ソフトウェア エンジニアは、通常、ヒューリスティック コンピュータメソッドを使用してこれらの操作を実行します。
4.1 表現
デジタル回路の設計に関しては、表現は不可欠な部分です。古典的なエンジニアは、設計者が各ロジックシンボルを表現するために異なる形状を使用するロジックゲートの同等のセットを使用しているデジタル回路を表しています。また、デジタル回路を表現する電子スイッチの同等のシステムを構築することもできます。通常、リプレゼンテーションには、自動分析用の数値ファイル形式があります。
4.1.1 組み合わ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考慮します。デジタルシステムの2つの共通のグループは、組み合わせシステムとシーケンシャルシステムです。組み合わせシステムは同じ入力に対して同じ出力を提供します。一方、シーケンシャルシステムは、一部の出力を入力としてフィードバックする組み合わせシステムです。
順次システムのサブカテゴリーには、一度に状態を変更する同期順次システムと、入力が変化するたびに変更される非同期順次システムの 2 つのサブカテゴリーがあります。
4.1.2 コンピュータの設計
コンピュータは、最も一般的な汎用レジスタ転送ロジック装置です。機械は自動バイナリのそろばんである。マイクロシーケンサーはネットワークの制御ユニットを実行します。大多数のコンピュータは同期していますが、市場には非同期コンピュータもあります。
4.2 デジタル回路における設計上の懸念
デジタル電子回路でアナログ部品を使用するエンジニアは、このようなコンポーネントのアナログ特性が望ましいデジタル動作を妨げる可能性があります。デジタルチャネルの設計では、タイミングマージン、ノイズ、キャパシタンス、寄生インダクタンスなどのトピック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抑えることを目的とした大型のロジックマシンを設計してきました。現在、この目的のために存在する電子設計自動化ツール (EDA) と呼ばれるコンピュータ プログラムがあります。たとえば、デジタル回路の設計者に優れた支援を提供する製造性ソフトウェアがあります。
4.4 論理回路のテスト
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検証する場合、エンジニアが論理回路をテストする主な理由。デジタルチャネルの各コピーを調べて、製造プロセスに欠陥が発生していないことを確認することが重要です。
5.デジタル回路設計に関する考慮事項
デジタル回路の設計の進行は遅いが、安定している。私たちは、以下の様々な論理家族を見て、この旅をたどります。
5.1 リレー
デジタルチャネルの最初の設計は、リレーロジックを特色にしました。この設計は信頼性が高く、安価でした。しかし、それは遅く、時折機械的な故障がありました。通常、連絡先に弧を描いたファンアウトは10個ありました。
5.2 真空
真空ロジックは、すぐにリレーロジックに従った。真空の主な利点は、彼らが迅速であったということです。しかし、真空は多くの熱を発生させ、フィラメントはしばしば燃え尽きる。1950年代のコンピュータチューブの開発は、これらのコンピュータチューブが数十万時間実行することができたので、ボイドの大幅な改善でした。
5.3 抵抗器-トランジスタ論理
これが最初の半導体論理ファミリーでした。抵抗トランジスタロジックはチューブよりも何千倍も信頼性が高かった。それははるかに少ない電力を使用し、クーラーを実行しました。しかし、ファンアウトは非常に低かった: 合計で3。その後、ダイオードトランジスタロジックがファンアウトを7にブーストし、さらに電力を低下させた。
5.4 トランジスタ-トランジスタロジック
以前のロジックよりも劇的な改善、トランジスタトランジスタロジックは10のファンアウトを持っていました。その後、そのファンアウトは20に改善しました。このロジックも非常に高速でした。このロジックは、現在でも特定のデジタル回路設計で使用されています。
5.5 エミッタ結合ロジック
エミッタと結合モデルは非常に高速です。しかし、このロジックは多くの電力を使用します。中規模のコンポーネントを搭載した高性能コンピュータは、このロジックを広範囲に使用します。
5.6 CMOSロジック
CMOSロジックは、今日の集積回路にとって最も一般的なロジックです。ロジックは高速で、高い回路密度と低電力/ロジックゲートを提供します。大型の高速コンピュータでもこのロジックを使用します。
デジタル回路分野における最新動向
近年、デジタル回路の研究者が大きな進歩を遂げています。以下に例を示します。
6.1 メムリスタの使用
例えば、2009年には、メムリスタがブール状態ストレージの実装に役立つことがわかりました。これは、シンプルなCMOSプロセスを使用して、少量の電力とスペースを備えた完全なロジックファミリを提供します。
6.2 RSFQの発見
研究者はまた、超伝導を発見しました。この発見により、トランジスタではなくジョセフソン接合部を利用した高速単一磁束量子(RSFQ)回路技術の開発が可能になります。エンジニアは最近、非線形視覚要素を使用してデジタル情報を処理できる純粋な光学演算システムを構築しようとしています。
概要
デジタル回路は、今日のデジタルエレクトロニクスとコンピュータ処理の中心にあります。ノイズや品質劣化に対する感受性が低いため、アナログ回路よりもはるかに好ましい回路です。そして、エンジニアや研究者がデジタルチャネルの分野の進歩に専念することで、これらのデバイスの設計と性能は良くなるだけです。
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