デジタル回路設計マスターガイド：完全解説

デジタル回路、またはデジタルエレクトロニクスとは、デジタル信号を使用するエレクトロニクスだ。アナログ信号で動作し、信号減衰、製造公差、ノイズの影響を受けやすいアナログ回路とは異なる。通常、設計者は集積回路上の大規模なロジックゲートアセンブリを使用してデジタル回路を作る。

このフレンドリーなガイドでは、デジタル回路について知っておくべきすべてをお伝えする。読み進めて詳しく学んでほしい。

デジタル回路の簡潔な歴史

1705年、ゴットフリート・ヴィルヘルム・ライプニッツが二進法体系を洗練させた。ライプニッツは、二進法を用いることで算術と論理の原理を結合可能であることを確立した。19世紀半ば、ジョージ・ブールが現代に通じるデジタル哲学を考案した。その後1886年、チャールズ・サンダース・パースが、電気スイッチング回路を切り替えることで論理演算を実行できることを説明した。その後、リレーに代わって真空管が論理演算に使用されるようになった。

第二次世界大戦後のデジタルコンピューターの発展により、数値計算がアナログに取って代わった。まもなく、純粋な電子回路素子が、機械的・電気機械的な対応物に取って代わった。

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てきた。現在、世界で最も普及している半導体デバイスだ。

初期の集積回路チップにはわずか数個のトランジスタしか搭載されていなかった。技術の進歩により、単一チップに数百万個のMOSFETトランジスタを搭載可能になった。今日、設計者は単一チップに数十億個のMOSFETトランジスタを配置できる。これは、デジタル回路が初期からどれほど進歩したかの証拠だ。

デジタル回路の特性

前述の通り、デジタル回路が高度にアクセス可能な最大の理由の一つは、ノイズによって劣化することなくデジタル表現が容易なことだ。例えば、伝送中に拾われた音が経路の識別を妨げるほどでない限り、連続するオーディオ信号は1と0の順序でエラーなく再構成可能だ。

デジタルシステムでより精密な表現を得るには、より多くの2進数字で信号を表現すればよい。もちろんそれにはより多くのデジタル回路が必要だが、同じ種類のハードウェアが各数字を処理するため、システムは容易に拡張可能だ。一方、アナログシステムでは、新しい分解能を生み出すにはノイズ特性と直線性の根本的な改善が必要だ。

コンピューター制御のデジタルシステムを使用する場合、ソフトウェアリビジョンだけで多くの機能を追加可能だ。つまり、ハードウェア変更は不要だ。さらに、工場外でソフトウェアを単に更新するだけで、デジタルシステムの改善を導入できる。

デジタル回路のもう一つの特性は、情報のより容易な保存を可能にすることだ。デジタルシステムは干渉に強く、性能劣化なしにデータの格納と取り出しができるためだ。

最新のデジタルシステムの多くは、連続アナログシステムをデジタル信号に変換する。これにより量子化誤差が生じる可能性がある。これらの誤差を最小限に抑えるには、デジタルシステムが信号を望ましい忠実度で表現するのに十分なデジタルデータを格納できることを確認する必要がある。

デジタル回路の構成

エンジニアは様々な方法でロジックゲートを構築する。いくつか調べてみよう。

3.1 ロジックゲートを用いた構成

デジタル回路メーカーは通常、ロジックゲートとして知られる小さな電子回路を使用してデジタルコースを作成する。これらのロジックゲートで組み合わせ論理を作成可能だ。各ロジックゲートは論理信号に作用し、ブール論理の関数を実行する。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する。通常これらのスイッチはトランジスタだ。サーモイオンバルブも同じ仕事をこなせる。一つのロジックゲートの出力を他のロジックゲートに供給したり、制御したりできる。

3.2 ルックアップテーブルを用いた構成

2つ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構成される。通常、ルックアップテーブルはロジックゲートベースのデジタル回路と同様の機能を果たす。ルックアップテーブルベースのデジタルチャネルの大きな利点は、配線を一切変更せずに簡単に再プログラミングできることだ。つまり、ワイヤーの配置を変更せずに設計エラーを修正しやすい。少量生産製品を扱う場合、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む。これらのプログラマブルロジックデバイスの設計には、設計自動化ソフトウェアを通常使用する。

3.3 集積回路

集積回路の構築では、エンジニアは1つのシリコンチップ上に複数のトランジスタを使用する。これは、大量の相互接続されたロジックゲートを作成する最も安価な方法だ。通常、設計者はプリント基板（PCB）上に集積回路を相互接続する。PCBは様々な電気部品を保持し、銅トレースでそれらを接続するボードだ。

デジタル回路の設計

デジタル回路の設計では、エンジニアは論理冗長性を削減し、回路複雑性を最小限に抑える様々な方法を用いる。なぜ回路複雑性を低く保つことが重要か？複雑性を最小限に抑えると部品点数が減り、潜在的なエラーを防ぎ、コストを低く抑えられるからだ。論理冗長性を削減する最も一般的な技法には、ブール代数、二進決定図、Quine-McCluskey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法がある。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法を用いてこれらの操作を行う。

4.1 表現

デジタル回路の設計において、表現は不可欠な部分だ。古典的なエンジニアは、設計者が各論理記号を異なる形状で表現する等価なロジックゲートのセットを用いてデジタル回路を表現する。エンジニアは電子スイッチの等価システム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、自動解析用の数値ファイル形式がある。

4.1.1 組み合わせ vs 順序

表現を選ぶ際、設計者は通常、様々なタイプのデジタルシステムを考慮する。デジタルシステムの一般的な2グループは、組み合わせシステムと順序システムだ。組み合わせシステムは、同じ入力に対して同じ出力を示す。順序システムは、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だ。

順序システムにはさらに2つのサブカテゴリがある：すべての状態が一度に変化する同期式順序システムと、入力が変わるたびに変化する非同期式順序システムだ。

4.1.2 コンピューター設計

コンピューターは、最も一般的な汎用レジスタトランスファーロジック装置だ。マシンは自動二進アバカスだ。マイクロシーケンサーがネットワークの制御ユニットを実行し、それはそれ自体がマイクロプログラムだ。大半のコンピューターは同期式だが、非同期式コンピューターも市場に存在してきた。

4.2 デジタル回路設計における懸念事項

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ため、それらのコンポーネントのアナログ的性質が望ましいデジタル動作を妨害する可能性がある。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、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る。

4.3 デジタル回路設計ツール

長年にわたり、エンジニアは高コストなエンジニアリング労力を最小限に抑えることを目的とした大規模なロジックマシンを設計してきた。現在、電子設計自動化ツール（EDA）として知られるコンピュータープログラムがこの目的で存在する。例えば、デジタル回路設計者を優れた支援を提供する製造可能性ソフトウェアがある。

4.4 ロジック回路のテスト

エンジニアがロジック回路をテストする主な理由は、設計がタイミングと機能仕様を満たしているか検証するためだ。デジタルチャネルの各コピーを調べ、製造プロセスが欠陥を導入していないか確認することは極めて重要だ。

デジタル回路設計の考慮事項

デジタル回路設計の進化は緩やかだが着実だ。以下のロジックファミリーを見て、この歩みをたどろう。

5.1 リレー

最初のデジタルチャネル設計はリレーロジックを採用した。この設計は信頼性が高く安価だった。しかし遅く、時折機械的故障が発生した。通常、接点でアークする10のファンアウトがあった。

5.2 真空管

リレーロジックに続いたのが真空管ロジックだ。真空管の主な利点は高速だったこと。しかし大量の熱を発生し、フィラメントが頻繁に切れた。1950年代のコンピューター管の開発は、数十万時間動作可能なこれらの管により、真空管における大きな改善となった。

5.3 抵抗トランジスタロジック（RTL）

これが最初の半導体ロジックファミリーだ。抵抗トランジスタロジックは真空管の数千倍の信頼性があり、消費電力が大幅に少なく、低温で動作した。しかしファンアウトが非常に低く、合計3だった。後にダイオードトランジスタロジックがファンアウトを7に向上させ、さらに消費電力を削減した。

5.4 トランジスタ・トランジスタ・ロジック（TTL）

従来のロジックから劇的に改善されたトランジスタ・トランジスタ・ロジックは、ファンアウト10を実現した。後にこれが20に改善された。このロジックは非常に高速でもあった。今日でも特定のデジタル回路設計で使用されている。

5.5 エミッタ結合ロジック（ECL）

エミッタ結合モデルは驚異的に高速だ。しかし大電力を消費する。中規模コンポーネントを用いた高性能コンピューターで広く使用されている。

5.6 CMOSロジック

CMOSロジックは、現在集積回路で最も人気のあるロジックだ。高速で、高回路密度、ロジックゲートあたりの低消費電力を実現。大型高速コンピューターでもこのロジックを使用している。

デジタル回路分野の最新動向

デジタル回路分野の研究者たちは最近、大きな進歩を遂げた。以下にいくつか例を示す：

6.1 メモリスタの活用

2009年、研究者たちはメモリスタがブール状態記憶の実装に役立つことを発見した。これは、シンプルなCMOSプロセスを用いて、少量の電力とスペースで完全なロジックファミリーを提供するものだ。

6.2 RSFQの発見

研究者たちは超伝導も発見した。この発見により、エンジニアはジョセフソン接合をトランジスタの代わりに使用するラピッド・シングル・フラックス・クアンタム（RSFQ）回路技術を開発可能になった。エンジニアは最近、非線形視覚要素を用いてデジタル情報を処理す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る。

まとめ

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ー処理の中心にある。ノイズと品質劣化に対する低感受性により、これらの回路はアナログ回路よりはるかに好ましい。エンジニアと研究者がデジタルチャネル分野の進歩に専念している限り、これらのデバイスの設計と性能はさらに向上し続けるだろう。

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