電子回路１講義概要

講義の目的等

目的論理関数の基本から、ディジタル回路の設計、解析方法まで学ぶ。組み合わせ論理回路や順序論理回路などの設計、解析方法について習得し、様々な応用回路を実現する能力を身につける。

対象2Ｅ 専門 必修

2E以外の学生も出席可（単位不要ならば、許可いらない）

教科書、参考書

［教科書］

笹田一郎著、学びやすいディジタル電子回路、オーム社 ＝＞ 生協で入手可能（昭晃堂は倒産）

［参考書］

藤井著、ディジタル電子回路、オーム社

伊原、若海、吉沢著、ディジタル回路、コロナ社

浅川著、論理回路の設計、コロナ社

並木著、ディジタル回路とVerilog HDL、技術評論社

資料等

講義資料は以下に随時公開

http://www.ee.kagu.tus.ac.jp/dec18/定期的に講義資料がないかチェックする。

評価は、期末テスト80%、小テスト20%とする予定。

講義内容

9月13日から12月20日まで13回＋試験

休講 9月20日、9月27日、11月8日追加の可能性あり＝＞11月1日に補講の予定

序論（約2回）

スイッチ素子（約1.5回）

ゲート回路の基礎（約1.5回）

種々の論理ゲート(約1回）

組み合わせ論理回路（約3.5回）

フリップフロップとその応用（約3.5回）

アナログ・ディジタルインタフェース回路（１回）

講義内容2 序論：ディジタル情報の基礎

時定数と消費電力

真理値表、論理ゲート、論理式

ブール代数、補数、量子化誤差

コンデンサの充放電

論理関数と論理ゲート

２進表現

アナログ信号とディジタル信号

講義内容3 スイッチ素子

ダイオードの整流作用

NMOS,PMOSNPN,PNPバイポーラトランジスタ

n型、p型半導体

ダイオード

CMOS トランジスタ

バイポーラトランジスタ

CMOS:Complementary MOSMOS:Metal-Oxide-Silicon

講義内容4 ゲート回路の基礎

入出力特性、遅延時間、消費電力

汎用トランジスタ（７４シリーズ）

インバータ（CMOS,TTL）CMOSスイッチ

バッファ

講義内容5 種々の論理ゲート

プルアップ、プルダウン

伝搬遅延時間

NAND,NORゲート

ゲート回路の構造

電気的特性

講義内容6 組み合わせ論理回路

真理値表と論理式

カルノー図による簡単化

マルチプレクサ、エンコーダ、デコーダ

論理式の簡単化と論理回路の合成

様々な組み合わせ論理回路

組み合わせ回路の論理解析

組み合わせ論理回路の設計演習

講義内容7 フリップフロップとその応用：順序回路

NORやNANDによるSRラッチ

マスタースレーブ、エッジトリガ

レジスタ、周波数分周

状態遷移図、遷移表、遷移方程式

ラッチ回路(SR,D)フリップフロップ(D,JK)と応用

同期式順序回路の解析と設計

講義内容8 アナログ・ディジタルインタフェース回路

サンプリング周波数, 折り返し歪

サンプルホールド回路

アナログ比較回路

連続波形のサンプリング

A/D変換回路

D/A変換回路

本講義に関連する主な授業

基礎科目

電気回路1,2、電子回路2,3LSI

集積回路工学、通信用LSIコンピュータ

コンピュータ概論、コンピュータアーキテクチャ

本講義に関連する主な授業2半導体基礎

電子工学基礎、電子工学１，２

デバイス

電子デバイス

物性材料

電気材料学

参考文献[２]ＬＳＩの様々なパッケージ

IC: Integrated Circuit 汎用ＩＣ

標準ロジックIC（74シリーズのＩＣ等）

メモリ(DRAM,SRAM) マイクロプロセッサ(Intel, AMD, Motorola社の製品)

ASIC(Application Specific IC) FPGA(Xilinx, Altera社の製品）

カスタムIC<=日本が得意のところ

標準ロジックＩＣ

74シリーズ参考文献[１]

遅延時間と消費電力の関係

参考文献[２]

メモリＩＣ

東芝：256Gビット 3次元フラッシュ

＠48層積層プロセス

ＳＲＡＭの構造

ＳＲＡＭのセル ＤＲＡＭのセル

参考文献[１]

マイクロプロセッサ

ＣＰＵの構造(Z80)

24コア Xeon E5 v4約72億個のトランジスタ動作周波数～ 3.5GHz14nmプロセス

参考文献[１]

本講義の目指すところ

ディジタル回路における、各技術の基礎を習得する。

基本回路のトランジスタ構成

回路の動作解析（ゲートレベル）

回路の設計（ゲートレベル）

１．序論

1.0 アナログ信号とディジタル信号

（Why ディジタルにするのか？）

アナログ＝＞ディジタル信号

アナログ信号 ディジタル信号

振幅方向 連続 離散

時間方向 連続 離散

アナログ処理とディジタル処理

入力

アナログ

出力

アナログ

アナログ処理

ディジタル処理

A/D D/A

Nビット Nビット

振幅方向だけ考える2ビットの場合

A=>Dのときに、最大±0.5Vの誤差

（0.5VはVDD(=4V)の12.5%）

状態3

状態2

状態1

状態0

3.5V

2.5V

1.5V

0.5V

(11)

(10)

(01)

(00)

代表値 ディジタル値VDD=4V

0V

アナログ値

8ビットの場合

A=>Dのときに、最大±0.0078125Vの誤差

（0.0078125VはVDD(=4V)の0.195%）

状態255

状態1状態0

3.9921875V

0.015625V0.0078125V

(11111111)

(00000001)(00000000)

代表値 ディジタル値VDD=4V

0V

アナログ値

・・・・・・

時間方向も考える速さはどうか？

VDD=4V

0V

VDD=4V

0V

VDD

2

アナログ値

ディジタル値

ディジタル信号の伝送

0 1 2 3 0 1 2 3

A B

A B

A B

A B

t

N倍の速さで送る

並列 0123

N本

直列1本

まとめアナログ信号 ディジタル信号

信号線の数 1N (N個の信号を並列に送る）あるいは1 (N個の信号を直列に送る）

振幅方向

最初の誤差 ない 量子化誤差がある

演算・伝送の精度良くないといけないが、実現するのは大変

VDD/2より上か下かを判別すればよい(“0”=0V, “1”=VDDとすると）

時間方向 速度精度を伴って、速くするのは大変

“0”, “1”の判別ができればよいので、速くできる

=>”1”の信号レベルを小さくすれば、消費電力を下げられる