IC 4060(CD4060) 完全ガイド：ピン配列・発振・分周・タイマー設計

CD4060(IC 4060)は、内蔵発振器+14段バイナリカウンタ(分周器)を1チップに集積したCMOSタイマーICです。3V〜15V広電圧動作、外付け部品最小(R/Cのみ)で長周期タイマー・クロック分周・低周波発振器が簡単に作れます。ピン機能・設計式・水晶発振接続・オートリセット・可変周波数化まで、実装レベルで解説します。

IC 4060の内部構成と動作原理

内蔵発振器(NOTゲート+NANDゲートベース)が Rt(Ct) で決まる周波数で発振。
14段バイナリカウンタ(リップルカウンタ) が発振クロックをカウントし、各段(Q4〜Q14相当)を出力ピンに出力。
各出力は前段の **1/2周波数(2分周)** になり、最長で発振周波数の 1/16384 (2¹⁴) まで分周可能。
リセット端子(ピン12) HIGH でカウンタクリア+発振停止。LOW で動作開始。

ピン配列と機能(16ピンDIP/SOIC)

ピン	名称	機能
1, 2, 3	Q12, Q13, Q14	分周出力(最低周波数: f_osc / 2¹²〜²¹⁴)
4, 5, 6	Q6, Q5, Q4	分周出力(f_osc / 2⁶〜²⁴)
7	Q3	分周出力(f_osc / 2³ = f_osc/8) **最高周波数出力**
8	VSS (GND)	グランド
9	Ct (CEXT)	発振用コンデンサ接続
10	Rt (REXT)	発振用抵抗接続
11	R2	発振安定化用抵抗(入力保護ダイオード順方向電圧補償)
12	RST (RESET)	リセット入力(High: リセット/発振停止, Low: 動作)
13, 14, 15	Q9, Q8, Q7	分周出力(f_osc / 2⁹〜²⁷)
16	VDD (VCC)	正電源入力(3V〜15V, 典型5V/12V/15V)

出力ピン周波数の関係(ピン順: 7, 5, 4, 6, 14, 13, 15, 1, 2, 3)

ピン7(Q3)が最高周波数 f_osc/8。以降、ピン順に **各段1/2倍(半分)** に。
例: f_osc = 1kHz → Pin7=125Hz, Pin5=62.5Hz, Pin4=31.25Hz, Pin6=15.6Hz, Pin14=7.8Hz, Pin13=3.9Hz, Pin15=1.95Hz, Pin1=0.98Hz, Pin2=0.49Hz, Pin3=0.24Hz

発振周波数設計式

基本式: f_osc ≈ 1 / (2.3 × Rt × Ct)

• 2.3: 内部ゲート遅延等による定数(データシート値)
• Rt: ピン10-ピン11間接続(ピン11はピン9側にも接続)
• Ct: ピン9-GND間接続
• R2: ピン11-ピン9間接続。Rt ≪ R2 かつ R2×C2 ≪ Rt×Ct 条件下で精度向上

推奨定数範囲

• 10kΩ ≤ Rt ≤ 1MΩ
• Ct ≥ 100pF (上限実用上 ~1μF程度、漏れ電流・温度ドリフト考慮)
• R2: 内部MOS抵抗補償用。VDD=15Vで200Ω, 10Vで300Ω, 5Vで500Ω 典型。Rtより十分大きく(10倍以上)
• C2(ピン11-GND浮遊容量対策): 数十pF〜Ctの1/10以下。高精度時はCt大・C2小に

設計例: 1Hz基準クロック生成(水晶発振併用推奨だが、RCで概略)

目標 f_osc = 8.192kHz → Pin3(Q14) = 8192/16384 = 0.5Hz → 2秒周期
Ct = 100pF なら Rt ≈ 1/(2.3×8192×100p) ≈ 530kΩ → 510kΩ/560kΩで調整

水晶発振器接続で高精度化

• ピン10(Rt側)とピン11(R2側)の間に水晶発振子接続
• R2: 電源電圧分圧バイアス用(発振安定化)。水晶駆動レベル調整兼用
• C2, C3: 水晶負荷容量調整用(データシート指定値、例: 12pF/22pF)。C3可変で微調整可
• RC発振に比べ温度ドリフト極小(±20ppm/°C級)、長周期タイマーに最適
• セラミック振動子も使用可だが、長周期では水晶推奨

実用機能と設定

パワーオン・オートリセット(起動時カウンタクリア)

ピン12(RST)を直接GNDでなく、**100kΩ抵抗経由でGND** + **0.33〜1μFコンデンサをVDDとピン12間**に接続。
電源投入時: C充電中ピン12=HIGH → リセット → カウンタ0クリア。C充電完了でピン12≒LOW → 正常動作開始。確実な0スタート実現。

リセット端子の手動/外部制御

通常: ピン12=GND(LOW)で動作。
一時停止/リセット: ピン12に HIGH パルス(VDDレベル)入力 → カウンタクリア、発振停止。LOW復帰で0から再開。

可変周波数・可変タイマー化

• Rt(ピン10)を **ポテンショメータ(可変抵抗)** に置換 → 発振周波数連続可変 → 全出力周波数連動可変
• Ct(ピン9)を **可変コンデンサ/複数コンデンサ切替** に置換 → 周波数段階切替
• 出力段(ピン1,2,3等)をさらにカウンタ/ICで分周 → より長周期タイマー可能

主な仕様(代表値: VDD=10V, Ta=25°C)

• 最大クロック周波数: 30MHz (VDD=15V), 8MHz 典型(VDD=10V)
• リセット伝播遅延: 25ns (5V)
• カウント範囲: 0〜16383 (14ビット, 10進16383)
• シュミットトリガー入力(ピン9,10,11,12): 立上り/立下がり時間無制限
• TTL互換入出力レベル
• 全静的動作、バッファード入出力
• RC発振最小周波数: 690kHz (VDD=15V) ※データシート記載値、実用上はもっと低周波可能

典型応用例

• 長周期タイマー(分〜時間〜日単位: 適切な出力ピン選択+追加分周)
• クロック分周器(マイコンクロック生成、ボーレート生成等)
• LED点滅・パターン生成(複数出力ピンの位相差利用)
• ウォッチドッグタイマー(定期リセットパルス生成)
• 低周波発振器(水晶接続で高精度基準クロック)
• 簡易ファンクションジェネレータ(矩形波多周波数同時出力)

まとめ

CD4060は「R/C 2部品で発振、14段分周内蔵、広電圧・低消費」という極めてコスパ良いタイマーICです。水晶接続で高精度化、オートリセットで確実起動、ポテンショメータで可変化と、実用回路への展開が容易。最新MCUのタイマー機能で代替可能なケースも多いですが、スタンドアロン動作・超低消費・アナログ的制御が必要な場面で現役で活躍します。ご質問・設計相談はお気軽に。