ロジックIC(その1)
ロジックIC その1
ロジックICはデジタル回路の基本機能を実現しているICで、基本となる機能は、 AND回路 （アンド回路）
OR回路 （オア回路）
NOT回路 （ノット回路）
です。NOT回路は「インバータ」とも呼ばれます。これらの基本機能を組み合わせることにより、色々な機能を
実現させることが出来ます。ロジックICは「LS形TTL」、「4000シリーズ」、「74HCシリーズ」等いろいろあります。
LS形TTLはトランジスタで構成されたもので、4000シリーズおよび74HCシリーズはCMOSで構成されたものです。
LS形TTLは動作電圧が5Vで、4000シリーズおよび74HCシリーズの動作範囲は、
74HCシリーズは 2～6V 4000シリーズは 3～18V
となっていて、広範囲で使用できます。
◎ロジック回路の基礎
デジタル回路は「AND」、「OR」、「NOT」の集合体です。回路は「入力」と「出力」からなり、入力は複数の場合も あります。
(AND)
AND回路は図1のように複数の入力と出力Yがあります。 図1 a ) の2入力の場合は、
入力Aに入力信号が加わり、なおかつ、入力Bに入力信号が加わったときに 出力Yに信号が現れます。
図1 b ) の3入力の場合は、 入力Aに入力信号が加わり、かつ、入力Bに入力信号が加わり、かつ、入力C に信号が加わったときに出力Yに信号が現れます。
デジタルでは信号の電圧が高い場合を「H」、低い場合を「L」に対応させて、Hを「1」、「L」を「0」と しても表現することがあります。
図1の場合は入力に電圧がある場合のみに動作し、「H」の時に意味があります。
これを「正論理」（せいろんり）と言います。
入力がA、Bの場合は組み合わせが4とおりで、A、B、Cの3入力の場合は組み合わせが8とおりです。
入力の組み合わせに応じた出力Yの値を一覧にしたものを「真理値表」（しんりちひょう）と言い、
これを図1に示します。
図1 AND回路
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a ) 2入力AND |
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b ) 3入力AND |
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入力 |
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出力 |
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入力 |
|
出力 |
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A |
B |
Y |
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A |
|
|
B |
|
C |
Y |
|
0 |
0 |
0 |
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|
0 |
|
0 |
|
|
0 |
0 |
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0 |
1 |
0 |
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|
0 |
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0 |
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1 |
0 |
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1 |
0 |
0 |
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|
0 |
|
1 |
|
|
0 |
0 |
|
1 |
1 |
1 |
|
|
0 |
|
1 |
|
|
1 |
0 |
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1 |
|
0 |
|
|
0 |
0 |
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4000シリーズおよび74HCシリーズでAND |
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1 |
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0 |
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1 |
0 |
||||
機能の型番を以下に記します。 |
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1 |
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1 |
|
|
0 |
0 |
|||
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1 |
|
1 |
|
|
1 |
1 |
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4000シリーズ |
74HCシリーズ |
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2入力AND |
4081B |
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74HC08 |
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3入力AND |
4073B |
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74HC11 |
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4入力AND |
4082B |
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74HC21 |
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8入力AND |
4068B |
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- |
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図2 |
OR回路 |
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OR回路の回路シンボルを図2に示します。 |
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ORは「入力のいずれかに入力信号が加わった |
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|||||
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|||||||
場合に出力Yに信号が現れます。 |
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図2の場合は2入力で、A、Bのいずれかに |
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入力 |
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出力 |
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||
信号「1」が加わると出力Yが「1」になります。 |
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A |
|
|
B |
|
Y |
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||
表現を変えるとOR回路は |
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0 |
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0 |
|
0 |
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||
|
AまたはBに入力があると出力 |
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0 |
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1 |
|
1 |
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|
が現れる |
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1 |
|
|
0 |
|
1 |
|
ことになります。4000シリーズおよび74HCシリーズで |
1 |
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1 |
|
1 |
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|||
AND機能の型番を以下に記します。 |
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||
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4000シリーズ |
74HCシリーズ |
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2入力OR |
4071B |
74HC32 |
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3入力OR |
4075B |
74HC4075 |
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4入力OR |
4072B |
74HC4072 |
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8入力OR |
4078B |
74HC4078 |
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(NOT) |
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図3 NOT回路 |
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NOT回路の回路シンボルは図3のとおりで、 |
a ) 正論理NOT |
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b ) 負論理NOT |
||||||
入力Aを反転したものが出力Yに現れます。 |
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||||||||
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|||
例えば、入力が0の時は出力は1になり、 |
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||
入力が1の時は出力が0になります。 |
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図3では回路シンボルが2とおりありますが、 |
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||||||
丸印は「0」であることが意味を持っていること |
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を示しています。 |
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a ) は入力が「1」の時に信号入力が「有」と認識し、 |
入力 |
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出力 |
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||||
これを「正論理」（せいろんり）と言います。 |
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A |
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|
Y |
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||
b ) の場合は入力が「0」の時に入力信号 |
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0 |
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1 |
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が「有」と認識し、これを「負論理」（ふろんり） |
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1 |
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|
0 |
|
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|
||
と言います。どちらも機能（真理値表）は同じです。
例えば、図4 a ) の場合はスイッチが「OFF」の場合のNOT回路の入力は「0」（L)です。
スイッチが「ON」となった場合にNOT回路の入力に電圧が加わって「1」（H）になります。
このように「信号有」=「1」の場合を「正論理」と言い、NOT回路のシンボルは出力側に「丸印」を付けます。
これに対して図4 b ) の場合はスイッチが「OFF」でNOT回路の入力には電圧が加わっています。
スイッチを「ON」にすると入力は「0」になります。この場合、「信号有」＝「0」を「負論理」と言い、
NOT回路のシンボルは入力側に丸印を付けます。
どちらの場合もNOT回路の機能は同じですが、正論理なのか負論理なのかを区別するために、回路シンボルを使い分けます。
図4 正論理と負論理
◎正論理と負論理の変換
図5 a ) のように正論理のAND回路は負論理のOR回路と機能は同じです。
また、図5 b ) のように正論理のOR回路は負論理のAND回路と機能は同じです。この変換は、 「AND→ORにシンボル変換」、「OR→ANDにシンボル変換」して、それぞれの入出力に丸印を付けます。
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図5 a ) AND→OR変換 |
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入力 |
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出力 |
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A |
B |
Y |
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0 |
0 |
0 |
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|
0 |
1 |
0 |
|||
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||||||
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|
1 |
0 |
0 |
|||
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|||
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1 |
1 |
1 |
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図5 b ) OR→AND変換 |
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|
入力 |
|
出力 |
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A |
B |
Y |
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|
0 |
0 |
0 |
|
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|||||||
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||||
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|
0 |
1 |
1 |
||||
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|||
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1 |
0 |
1 |
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1 |
1 |
1 |
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図5 a ) において |
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は入出力が負論理のORです |
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図5 b ) において |
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は入出力が負論理のANDです |
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|||||
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◎NANDとNOR
ANDまたはORの出力にNOT回路を付けたものをそれぞれ、NAND（ナンド）回路、NOR（ノア）回路
と言い、真理値表および代表的なICを図6に示します。
図6 NANDとNOR
a ) NAND
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2入力NAND |
74HCシリーズ |
74HC00 |
4000シリーズ |
4011B/UB |
入力 |
|
出力 |
A |
B |
Y |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
b ) NOR
|
2入力NOR |
74HCシリーズ |
74HC02 |
4000シリーズ |
4001B/UB |
入力 |
|
出力 |
A |
B |
Y |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
◎身近なロジック回路
身近な例として、図7の場合を考えてみます。この例は、1階の階段を上った付近に電灯があり、
この電灯は1階および2階の各スイッチから自由に「点灯/消灯」することが出来ます。
図7 電灯の点灯/消灯
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階段の上（2階）にある電灯は1階、 |
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2階のそれぞれのスイッチで |
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「点灯/消灯」することが出来る |
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この動作をスイッチで実現する方法として、図8が考えられます。
図8では電灯の代わりにLEDで表現しています。
a ) が消灯状態です。b ) のように2階のスイッチを左にするとLEDが点灯し、この状態で1階のスイッチ
を右にすると今度はLEDは消灯します。( c )
c ) の状態から1階のスイッチを左にすると今度はLEDが点灯します。( d )
このようにどちらのスイッチからも点灯/消灯させることが出来ます。
この例では初期状態をa ) としましたが、a ) の各スイッチの状態を逆にしたc ) を初期状態にしても
同様に操作することが出来ます。
図8 スイッチで表現
図8をロジック的に見るとLEDが点灯する条件は各スイッチの方向（左右）が同じ時です。
（例えば、左=左、または、右=右)
ここで、スイッチの方向を 左 → 1 右 → 0
に対応し、これを入力A,Bとし、これに対応した出力をYとすれば図9の真理値表が得られます。
図9ではA,Bの値が一致した時に出力Yを「0」にしていますが、「1」にしても良いです。
図9 |
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入力 |
|
出力 |
|
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A |
B |
Y |
これは入出力負論理のAND |
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0 |
0 |
0 |
||
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||||
0 |
1 |
1 |
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1 |
0 |
1 |
これはNAND |
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1 |
1 |
0 |
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出力Yが0になるのは図9の黄色の組み合わせで、これは「入出力負論理AND」と「NAND」の2つです。
Yが0になるのはこの2つのORですから、これを表現すると図10になります。
図10
図11 スイッチ状態が一致するとLEDが点灯
◎使い方
AND,OR,NOTなどは1つのICの中に複数入っています。例えば、74HC04はNOT回路が6個入って
います。使わないものは「必ず、入力端子は電源またはGNDに接続し、出力端子はどこにも接続しない」ようにします。(AND,OR,NOTの基本単位をゲートと言います）
図12 74HC04
使用しないゲート（ピン）はこのように処理
しますが、これを行わないとICが破損します。
入力端子の処理は配線の都合で電源、GND どちらに接続しても可です。
また、極端な場合、図14の方法でも良いです。
図14
図13 使用していないゲートの処理
電源装置からの基板への入り口には10～100μ程度のケミコンを配置（接続）します。（図15)
写真1 ロジックICの外観例
図15 パスコンの接続
