Transcript Document

ディジタル回路 第1回
ガイダンス、CMOSの基本回路
情報工学科
天野英晴
いまさらだが、、、
• 現在のIT社会では世の中はディジタル回路
だらけ
– コンピュータ、スマートフォーン、タブレット
– オーディオ機器、ビデオ機器
– テレビ、ラジオ、ゲーム機器
– ネットワーク機器
– 冷暖房、冷蔵庫、電気釜、洗濯機、掃除機だって
制御はディジタル
この授業はディジタル設計者を育成するだけの目的ではなく、IT社会を生き抜く
基礎を学ぶためのもの→ 情報工学科ならば誰でも役にたつようにできている
何をやるか？
• ゲートレベルの論理設計、論理回路は「計算機基礎」でやって
いる。
• ハードウェア記述言語でのディジタル設計は「計算機構成」で
演習付でやる。
• ここでは、IT社会を支えるディジタル回路の基本を学ぶ
–
–
–
–
–
–
–
–
–
CMOS回路
CMOSレイアウト
動特性と静特性、遅延解析、STA
BJTを使ったディジタル回路
特殊な入出力
フリップフロップ
メモリ回路,RAM,ROM
FPGA
LSI設計 など、、
他の授業との関連
計算機基礎
コンピュータ構成
LSI設計の流れ
計算機構成同演習
ディジタル回路
コンピュータアーキテクチャ
VLSI設計論
SoC設計論
4年春 Verilogによる設計演習
レイアウト演習
大学院 Cレベル設計
システム設計 外部講師
SoC設計演習
大学院 Cレベル設計
システム設計演習 早稲田で他の
大学生と一緒にやる
システムLSI特論
大学院 電子工学科
黒田先生
授業のやり方
• テキスト：「ディジタル設計者のための電子回路」 天野著 コ
ロナ社
• 授業資料はhttp://www.am.ics.keio.ac.jpに掲示
• 演習を授業中に行う 授業：演習=3：1くらい
• 成績の付け方
– 試験＋演習（各回1点、間違うと0点）＋SPICE実習（15点）により付
ける
– 演習は出席ではないので、0点だと出しても意味がない
– 休んだ場合、後から提出してもよい
– この科目は楽に単位が取れるという意味で楽勝科目ではないが、A
の比率は高い→普通に演習をやっていてSPICE実習を提出して、試
験前にちょっと勉強すればAが取れる！
復習
• 計算機基礎はだいぶ忘れたと思うが、基本
ゲートとMIL記号法だけは頻繁に使う
ゲート：論理回路の基本素子
論理回路はLとHの二値
ゲートの種類も基本的には2種類
All
全ての入力がアクティブならば
出力がアクティブ
Exist
入力のどれか一つでも
アクティブならば
（アクティブが存在すれば）
出力がアクティブ
論理的な意味はない
論理レベルを伝達
アクティブLとアクティブH
アクティブL: Lレベルに注目している（意味が
あると考える）
アクティブH: Hレベルに注目している（意味が
あると考える）
MIL記号法ではアクティブLの信号線に〇印を
付けて示す
MIL記号法
この二つのゲートは実体は同じだが意味が
違う→これを書き分けるのがMIL記号法
A
A
Y
B
Y
B
入力が共にHならばLを出力
入力がどちらかがLならばHを出力
A
B
Y
A
B
Y
A
B
Y
H
H
L
L
L
L
H
－
H
H
H
L
－
L
H
H
L
H
H
H
L
他
H
他
基本ゲート
A
AND
B
Y
B
A
NAND
B
Y
Y
NOT
インバータ
A
Y
Y
Y
A
A
この授業では
どちらのゲートも
NANDと呼ぶ
Y
B
Y
NOR
A
B
A
B
Y OR
A
B
A
B
A
Y
All⇔Exist、 入出力のアクティブL ⇔ アクティブHを入れ替えると同じゲートに
なる： ド・モルガンの法則
演習１
下の回路の出力Yがアクティブになる入力パターンは
どうなるか？
A
Y
B
C
a)
A
B
Y
C
D
ｂ)
なぜディジタルはアナログを制したか？
• ディジタル回路はアナログ回路に比べて単純なことしかできない
– オペアンプの加算器なんか一つの素子でアナログレベルの加算ができる
– ディジタル回路は数100ゲート必要とする
• ディジタル回路は高速
– オペアンプの動作速度はミリ秒単位
– ディジタル回路のゲートはピコ秒で動作
• 単純なので面積が小さく、膨大な数を集積できる
• 集積回路(Integrated Circuit：IC)
– 大規模集積回路LSI(Large Scale Integrated Circuits)
– 1000万ゲートくらい軽く1チップに実装できる
• ディジタル回路の90%以上がCMOS(Complementary Metal Oxide
Silicon)-FET(Field Effect Transistor)でできている
• まずこの授業ではCMOSを勉強する
• 今日の目標はCMOSのスイッチングモデルを理解すること！
MOS（Metal Oxide Silicon)
FET（Field Effect Transistor)の
スイッチングモデル
Drain
Source
Gate
Gate
Source
nMOS
G=H ON S-Dがショート
G=L: OFF S-Dがオープン
Drain
pMOS
G=L ON S-Dがショート
G=H OFF S-Dがオープン
記号は略式のもの：正式なのは後で紹介する
SとDの区別がつかないって？ その通り、そんな必要はない
LとHの定義も後ほど紹介
GNDレベル（に近い）のがL,電源レベル（に近い）のがH
CMOSインバータ
ON
L
OFF
H
A
H
L
Z
OFF
A
ON
Z
L H
H L
NOTゲート
真理値表
MIL記号法
CMOS NAND回路 入力L-L
Qp1
Qp2
A
ON
ON
pMOSは並列接続なので
両方がONならば出力はH
L
Y
B
Qn2
H
OFF
L
Qn1
OFF
nMOSは直列接続なので
両方がOFFならばもちろん
切れている
CMOS NAND回路 入力L-H
A
ON
OFF
pMOSは並列接続なので
片方がONならば出力はH
L
Y
H
B
ON
H
nMOSは直列接続なので
片方がOFFならば切れている
OFF
CMOS NAND回路 入力H-L
A
OFF
ON
pMOSは並列接続なので
先ほどとは逆の方が
ONとなり出力はH
H
Y
H
B
ON
L
nMOSは直列接続なので
先ほとどは逆の方が
OFFで切れている
OFF
CMOS NAND回路 入力H-H
A
OFF
OFF
pMOSは並列接続だが
両方OFFならば切れる
H
Y
L
B
ON
H
nMOSは直列接続だが
両方ONならば出力はL
ON
CMOS NAND回路
• 結局NAND回路になる
A
B
Qp1 Qp2 Qn1 Qn2 Y
L
L
ON
ON
L
H
ON
OFF OFF ON
H
L
OFF ON
H
H
OFF OFF ON
入力が両方HのときL
OFF OFF H
ON
入力のどちらかがLのときH
H
OFF H
ON
L
演習２
１．NANDと同様の表を
書き、トランジスタのON/OFFと
出力Yのレベルを示せ
２．このゲートに対応する
MIL記号を２つ書け
A
Qp1
B
Qp2
Y
Qn1
Qn2