デジタル回路を構築するための包括的なガイド

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することにより、算術と論理の原理を結合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、今日私たちが知っているデジタル哲学を考案しました。その後、1886年に、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演算を実行する方法を説明しました。その後、論理演算用のリレーの代わりに、設計者は真空管を使い始めました。

第二次世界大戦後のデジタルコンピュータの開発により、数値計算がアナログに取って代わりました。すぐに、純粋に電子的な回路要素が、機械的および電気機械的な対応物から引き継がれました。

1959年、モハメド・アタラとダウォン・カーンが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。

当初、各集積回路チップには数個のトランジスタしかありませんでした。技術が進歩するにつれて、1つのチップに数百万のMOSFETトランジスタを配置することが可能になりました。今日、設計者は数十億のMOSFETトランジスタを1つのチップに配置できます。これは、デジタル回路が初期の頃からどれだけ進歩したかを示す証拠です。

2。デジタル回路の特性

先に述べたように、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回路を簡単に表現できることです。たとえば、送信中に拾われた音がルートの識別を妨げるのに十分でない限り、連続するオーディオ信号はエラーなしで1秒と0秒の順序で再構築できます。

デジタルシステムでより正確な表現を取得するために、より多くの2進数を使用して信号を表現できます。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、同じ種類のハードウェアが各番号を処理するため、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アナログシステムでは、状況が異なります。

コンピューター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善点を導入できます。

デジタル回路のもう1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望ましい程度の忠実度で表す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。デジタル回路の構築

エンジニアはさまざまな方法で論理ゲートを構築します。以下でそれらのいくつかを調査します。

3.1論理ゲートを使用した構築

デジタル回路のメーカーは通常、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。これらの論理ゲートを使用すると、組み合わせ論理を作成できます。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論理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。熱電子バルブも同じ仕事をするのに役立ちます。 1つの論理ゲートからの出力は、他の論理ゲートに供給したり、それらを制御したりできます。

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築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重要な利点は、設計者が配線を変更せずに簡単に再プログラミングできることです。つまり、ワイヤの配置を変更することなく、設計エラーを簡単に修復できます。したがって、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

集積回路を構築する際、エンジニアは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、相互接続された大量の論理ゲートを作成するための最も手頃な方法です。通常、設計者は、さまざまな電気部品を保持し、それらを銅トレースで接続するボードであるプリント回路基板（PCB）上で集積回路を相互接続します。

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を使用して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ことが不可欠なのでしょうか。複雑さを最小限に抑えることで、コンポーネントの数を減らし、潜在的なエラーを回避できるため、コストを低く抑えることができます。論理の冗長性を減らす最も一般的な手法には、ブール代数、二分決定図、クワイン・マクラスキーアルゴリズム、カルノー図、ヒューリスティックコンピューター法などがあります。ソフトウェアエンジニアは通常、ヒューリスティックなコンピューター手法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、デジタル回路が同等の論理ゲートのセットを使用しており、設計者が異なる形状を使用して各論理シンボルを表現していることを表しています。エンジニアは、デジタル回路を表すための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。表現には通常、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vs.順次

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2つの一般的なグループは、組み合わせシステムと順次システムです。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、出力の一部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。

シーケンシャルシステムには、さらに2つのサブカテゴリがあります。状態を一度に変更する同期シーケンシャルシステムと、入力が変更されるたびに変更される非同期シーケンシャルシステムです。

4.1.2コンピューター設計

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機器です。機械は自動バイナリそろばんです。マイクロシーケンサーは、それ自体がマイクロプログラムであるネットワークの制御ユニットを実行します。市場には非同期コンピューターもありますが、コンピューターの大部分は同期です。

4.2デジタル回路の設計上の懸念

エンジニアがデジタル電子回路でアナログコンポーネントを使用するとき、そのようなコンポーネントのアナログの性質は、望ましいデジタル動作を妨げる可能性があります。したがって、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、静電容量、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、かなりの規模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）として知られているコンピューター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可能性ソフトウェアがあります。

4.4論理回路のテスト

設計がタイミングおよび機能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。デジタル回路設計の考慮事項

デジタル回路の設計の進展は遅いですが着実です。以下のさまざまなロジックファミリを見て、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徴としていました。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、接点に弧を描くファンアウトが10個ありました。

5.2掃除機

真空ロジックはリレーロジックの直後に続きました。掃除機の主な利点は、それらが迅速だったことです。しかし、掃除機は大量の熱を発生し、フィラメントは頻繁に燃え尽きていました。 1950年代のコンピューター管の開発は、これらのコンピューター管が数十万時間稼働する可能性があるため、ボイドの大幅な改善でした。

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でした。抵抗トランジスタロジックは、チューブよりも数千倍信頼性がありました。それははるかに少ない電力を使用し、より涼しく走りました。ただし、ファンアウトは非常に少なく、合計3つでした。その後、ダイオードトランジスタロジックはファンアウトを7にブーストし、さらに電力を削減しました。

5.4トランジスタ-トランジスタロジック

以前のロジックに比べて劇的に改善されたトランジスタ-トランジスタロジックのファンアウトは10でした。その後、そのファンアウトは20に改善されました。このロジックも非常に高速でした。このロジックは、今日でも特定のデジタル回路設計で使用されています。

5.5エミッタ結合論理

エミッタ結合モデルは非常に高速です。ただし、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備えた高性能コンピュータは、このロジックを広く使用しています。

5.6CMOSロジック

CMOSロジックは、今日の集積回路で群を抜いて最も人気のあるロジックです。ロジックは高速で、ロジックゲートごとに高い回路密度と低電力を提供します。大規模で高速なコンピューターでもこのロジックを使用します。

デジタル回路の分野における最新の開発

最近、デジタル回路の分野の研究者は大きな進歩を遂げました。以下にいくつかの例を示します。

6.1メモリスタの使用

たとえば、2009年に、研究者はメモリスタがブール状態ストレージの実装を支援できることを発見しました。これにより、単純な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が提供されます。

6.2RSFQの発見

研究者たちはまた、超伝導を発見しました。この発見により、エンジニアはトランジスタではなくジョセフソン接合を利用する高速単一磁束量子（RSFQ）回路技術を開発することができます。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コンピューティングシステムの構築を試みています。

概要

デジタル回路は、今日のデジタル電子機器とコンピューター処理の中心です。ノイズや品質劣化の影響を受けにくいため、これらの回路はアナログ回路よりもはるかに適しています。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パフォーマンスは向上するだけです。

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