4011 ICによる基本NANDゲート回路の設計と検証

部品と材料

• 4011クアッドNANDゲート（Radio Shackカタログ# 276‑2411）
• 8ポジションDIPスイッチ（Radio Shackカタログ# 275‑1301）
• 10セグメントバーグラフLED（Radio Shackカタログ# 276‑081）
• 6ボルト電池1個
• 10kΩ抵抗2個
• 470Ω抵抗3個

注意！ 4011 ICはCMOSであり、静電気放電に非常に敏感です。帯電防止対策を講じて取り扱ってください。

参考文献

Lessons In Electric Circuits、第4巻、第3章：「ロジックゲート」

学習目標

• プルダウン抵抗の役割を理解する
• 実験によりゲートの真理値表を決定する
• ロジックゲートの相互接続方法を学ぶ
• NANDゲートを使用して様々な論理関数を設計する

基本ゲート機能 回路図

 

基本ゲート機能 イラストレーション

 

実験手順

回路図のように、単一のNANDゲートを2つの入力スイッチと1つのLEDに配線して始めます。8ポジションスイッチと10セグメントLEDは最初は過剰に見えるかもしれませんが、容易な拡張とレイアウトの整理を可能にします。

常に4011のデータシートを手元に置いてください。ピンアウト図を読むことは正しい接続に不可欠です。以下は公式データシートから導き出された簡略化されたピンアウトリファレンスです：

 

 

ブレッドボードのイラストレーションでは、左下のNANDゲートを使用しています：ピン1と2が入力、ピン3が出力です。ピン14と7がV_DD（正電圧）とGND（グラウンド）を供給します。一部のデータシートでは負レールをV_SSと表記しますが、機能的には同一です。

オペアンプとは異なり、デジタルロジックICは単一のグラウンド基準を使用します。「ハイ」信号はピンがグラウンドに対してV_DDにあることを意味し、「ロー」信号はGNDにあることを意味します。

未使用のゲート入力はすべてV_DDまたはGNDに接続します。フローティング状態にすると、迷走静電荷が内部トランジスタを未定義状態に強制し、過大電流消費や破損を引き起こす可能性があります。グラウンドまたはプルアップのいずれかで十分です。どちらのレールがブレッドボード上でよりアクセスしやすいかによります。

未使用のゲート出力を電源レールに接続しないでください。出力を固定レベルに強制するとゲートが短絡し、チップを破壊する可能性があります。出力は自己生成であり、自由にスイングできる状態にしておく必要があります。

2つの10kΩ抵抗はプルダウンデバイスとして機能します。スイッチが開いているとき、抵抗が入力をGNDに引き、クリーンな「ロー」状態を保証します。スイッチが閉じると、入力が直接V_DDに駆動され、「ハイ」状態になります。これにより、迷走静電気による入力のフローティングを防止します。

回路を組み立てたら、NANDゲートの真理値表を実験的にマッピングできます。スイッチをあらゆる可能な状態に配置し、LEDが点灯するかどうかを記録してください。結果を以下のようにシートに記録します：

 

 

「A」と「B」列は2つの入力スイッチを表します。閉じたスイッチはロジック「1」、開いたスイッチ（プルダウン）はロジック「0」を示します。LEDの状態がゲートの出力を示します。全4通りの組み合わせを完了したら、標準的なNAND真理値表と比較してください。

このセットアップは4011 NANDゲート向けですが、同じ2スイッチ、2プルダウン、LEDスキームは、正しいピンアウト図を参照すれば、どのクアッドロジックICでも機能します。ピン割り当てはICファミリによって異なることを覚えておいてください。

追加の改良

明確性を高めるため、実際の入力レベルを表示するLEDを追加してください。これにより、スイッチが正しく閉じているか開いているかを、その位置から推測せずに確認できます：

 

 

関連ワークシート：

• 基本ロジックゲートワークシート