デジタル集積回路：種類と応用

日常的に使用するほぼすべての電子機器（ノートパソコン、携帯電話、冷蔵庫、テレビ、コンピューターなど）は、複雑またはシンプルな回路で製造されています。私たちが使用する電子回路は、いくつかの電子および電気コンポーネントで構成され、それらは互いに接続されています。このようなリンクは、ワイヤーを接続して電流をコンデンサ、抵抗器、トランジスタ、ダイオード、インダクタ、ダイオードなどに流すことで達成されます。回路は、接続、製造プロセス、サイズ、信号使用などの特定の基準に基づいていくつかのタイプに分類できます。この記事では、回路で使用される信号に焦点を当て、さらにデジタル集積回路とその種類に関する事項に絞り込みます。

デジタル集積回路とは？

では、デジタル集積回路とは何でしょうか？簡単に言えば、デジタル集積回路はデジタルエレクトロニクスの実用的な側面を表します。デジタル電子回路は、0と1のような戦略的または離散的な信号を保持/処理します。これら2つの異なる状態（ロジック0とロジック1）は、ロー（ロジック0）とハイ（ロジック1）です。デジタル集積回路は、デジタル多重化器、カウンター、ロジックゲート、フリップフロップなどを採用します。

特定の絶対電圧値（例：「真または偽」ロジック演算）を受け入れるように設計された、デジタル電子回路の設計方法。例えば、デジタル電子回路は、バイナリ回路として知られる2つの状態を使用します。これらのバイナリ回路には、「オフ」と「オン」のバイナリ量があり、それぞれ1（真）と0（偽）を表します。他のコースとは異なり、デジタル電子回路は経済的で、製造や設計が容易です。

デジタル集積デバイスは、幅広い信号範囲ではなく、わずかな状態または定義されたレベルで動作します。

デジタル集積デバイスは、モデム、コンピューターネットワーク、周波数ネットワーク、コンピューターなど、多数の電子デバイスで使用されています。

 簡単に言えば、デジタル集積回路の標準的な基本ブロックの一部はロジックゲートです。他のタイプのコースやチャネルとは異なり、デジタル集積回路は信号振幅のわずかな定義されたレベルでのみ動作します。

デジタル集積回路シリーズ

集積回路には7400シリーズと4000シリーズが存在します。7シリーズの適切な例には以下が含まれます：

• 7400
• 7402
• 7404
• 7408
• 7432
• 7488

4のタイプには以下が含まれます：

• 4001
• 4009
• 4011
• 4030
• 4071
• 4077
• 4081

集積回路シリーズの例

デジタル集積回路にはさまざまなファミリーがあります。デジタル電子回路に関して言えば、ファミリーとは、いくつかの自動ゲートの組み合わせを使用して構築されたデバイスを指します。ファミリーは、個々のまたはスタンドアローンのロジックレベルと電源電圧を持ちます。重要なのは、異なるシリーズのデジタル集積回路にはそれぞれ独自の利点と欠点があることです。また、すべてのファミリー内で、いくつかの電圧範囲が低いか高いかのいずれかである可能性があります。以下はデジタル集積回路シリーズ/ファミリーのリストです：

• ダイオードロジック

ダイオードロジックでは、ダイオードと抵抗器を使用してロジック全体の実装が行われます。DLまたはロジックダイオードでは、ダイオードまたは主な目的は、「アンド」または「オア」演算子を実行することです。

• 抵抗器-トランジスタロジック

抵抗器-トランジスタ論理（RTL）に関しては、ロジック全体の実装は抵抗器とトランジスタを使用して達成されます。抵抗器のエレクトロニクスは、他のもののように高価ではなく、設計が非常にシンプルです。唯一の欠点は、RTLが大量の電力を消費することです。

• ダイオード-トランジスタロジック

ダイオード-トランジスタロジック（DTL）では、ロジック全体の実装はトランジスタとダイオードを通じて行われます。DTLは、他の抵抗器-トランジスタロジックとダイオードロジックに比べていくつかの利点があります。例えば、そのダイオードはORとAND演算を容易に効率的に実行できます。DTLに関連するもう一つの利点は、OR演算が抵抗器ではなくダイオードを使用して達成できることです。

• トランジスタ-トランジスタロジック

TTLまたはトランジスタ-トランジスタロジックは、トランジスタを中心にロジックゲートが作られています。トランジスタ-トランジスタ論理は、バイポーラトランジスタを採用し、さまざまなバージョンがあります。バージョンには、ショットキーTTL、高速TTL、低電力TTL、標準TTLが含まれます。トランジスタ-トランジスタロジックは、現在利用可能な最速のバイポーラ回路の一つです。

• エミッタ結合ロジック

ここでは、トランジスタが深い飽和状態に入らないため、ストレージ遅延がありません。トランジスタ-トランジスタロジックは、高速移動に関わるアプリケーションで使用されます。

• 相補性金属酸化膜半導体ロジック

相補性金属酸化膜半導体ロジック（CMOS）は、低消費電力と高ファンアウトでよく知られています。CMOSはいくつかのアプリケーションとマイクロプロセッサー技術で使用されます。CMOSはまた、最も信頼性の高いロジックファミリーの一つです。

デジタル集積回路の動作原理

デジタル集積回路は、人間の歴史において劇的または忘れられない技術をもたらした小さな電子コンポーネントです。半導体チップとしても知られ、デジタル集積回路は産業革命と比較して大幅な変化を解き放ちました。しかし、デジタル集積回路はどのように動作するのでしょうか？デジタル集積回路は、トランジスタ、マイクロプロセッサー、ダイオードの組み合わせで構成されます。それらはすべて、電圧の蓄積、電流の流れの制御、システム全体へのメモリ提供など、異なる役割を果たします。これらのコンポーネント/デバイスは、デジタル集積回路で協力して、効果的な操作や機能のためにさまざまな操作を行います。

デジタル集積回路を簡単に自作する方法

自分でデジタル回路を作るのは、想像するほど難しいまたはトリッキーなプロセスではありません。デジタル集積回路の製造プロセス/ステップは、信頼性の高いパイプとして形作られた実質的に単一のシリコン結晶から始まります。これらのパイプはウェハーとしても知られています。ビスケットをいくつかの同一の長方形または正方形の領域にマークする必要があります。

その後、表面の一部をドーピングすることで、すべてのチップにコンポーネントを作成する必要があります。ドーピングはさまざまなプロセスを使用して達成されます。最も一般的な方法の一つはスパッタリングとして知られています。スパッタリングプロセスでは、ドーピング材料/内容のイオンをシリコンウェハーに発射します。

蒸着プロセスとして知られる別のプロセスがあります。蒸着は、ドーピング材料をガスの形で導入し、その後、不純物原子が薄い膜を形成するために凝縮させることで構成されます。膜の形成は、シリコンウェハーの表面で発生します。

PCBAと直接関連するデジタル集積回路

プリント基板（PCB）は、パッド、導電性トレース、その他の機能を使用して電子部品を接続する基板です。両面、片面、多層があります。一方、PCBA（プリント基板アセンブリ）は、すべての部品とコンポーネントがはんだ付けされ、正しく設置された後に提示される基板です。部品とコンポーネントで構成されるPCBAは、設計された自動機能を容易に達成します。

簡単に言えば、プリント基板アセンブリ（PCBA）は、すべての部品とコンポーネントがはんだ付けされ、正しく設置された後に提示される基板です。PCBAまたはプリント基板アセンブリは、コンポーネントの印刷と実装後に出てくる基板です。これらのコンポーネントには、コンデンサ、トランス、抵抗器などが含まれます。組み立てプロセス中、空のPCB基板が、機能する/動作するプリント基板アセンブリ（PCBA）を作成する唯一の目的で、電子部品でポピュレートまたはスタッフィングされます。

プリント基板（PCB）は、ほぼすべての電子デバイスで使用されています。しかし、大半のPCBは、デジタル集積回路のアセンブリと直接関連しています。デジタル集積回路は、抵抗器、トランジスタ、インダクタ、コンデンサなどのデバイス/コンポーネントを相互接続します。

一般的な問題と注意事項

デジタル集積回路を取り巻く一般的な問題/課題があります。第一に、それらを設計するために使用される方法論は、1980年代に遡る抵抗器-トランジスタロジック（RTL）です。この技術はピークを過ぎています。第二に、電力に関する問題もあります。多くの人が電力に関する問題をそれほどうまく理解していません。

デジタル集積回路には多数の接続があります。これらすべての接続が同じ電圧を持っている場合、潜在的な損傷は発生しません。しかし、リンクの一つが他のものとは異なる電圧/エネルギーを持っている場合、損傷が発生する可能性があります。電圧に関する質問については、非常に慎重になることをお勧めします。しかし、ピンを一緒にアルミホイルで包んだり、それらを接続して単一のピースにしたりすることで、保護/シールドできます。

まとめ

デジタル集積回路は、私たちの日常生活の困難さにおけるブレイクスルーです。信頼性と速度といった重要な要素の始まりを告げました。携帯電話やコンピューターなど、現代のデバイスの大半は回路がなければ機能しません。これらの回路には、数百万、甚至は数千のコンポーネントが必要で、そこがデジタル集積回路が活躍する場所です。

テクノロジーが進化し続けるにつれ、デジタル集積回路はますます洗練されています。それが、携帯電話、ノートパソコン、そして多くの家電製品が日々より良く、より安くなっている理由です。