論理回路と低消費電力

要点と定義

論理回路は入力の値に論理演算を適用し、出力を決めます。ANDはすべての入力が1のとき1、ORは少なくとも一つが1のとき1、NOTは入力を反転します。XORは入力が異なるとき1です。データと制御信号をXORに入力すると、制御信号が0ならデータを保ち、1なら反転できます。たとえばデータが0なら、制御信号が0のとき出力は0、1のとき出力は1です。この性質から、制御に応じて保持するか反転するかを判断できます。

NANDは入力の論理積を否定します。入力のどれかが0なら出力は1、すべてが1なら出力は0です。回路の出力を求めるときは、各ゲートの種類と接続から段ごとの式を作り、最後に論理式を整理します。同じ信号をNANDの二つの入力に接続すると、その信号を反転できます。

組込み機器の消費電力を考える際、間欠動作の平均電流は、各状態の「電流×時間」の合計を全体の時間で割って求めます。待機中にも電流が流れるなら、その分も計算に含めます。平均電流を目標以下にする待機時間を求める場合は、この関係を不等式にして解き、条件を満たす最小値を確認します。これは過去の出題で扱った補足です。

過去の出題で扱った補足として、クロックの周波数を逓倍・分周して各部に供給する構成があります。分周後の周波数を計算し、目標値から許容範囲を求めて照合します。分周比だけを見て可否は決められません。

エネルギーハーベスティングは、周囲の振動、熱、光、電磁波などのエネルギーを集め、電力に変換して機器に利用する技術です。過去の出題で扱った補足として、押しボタンを押す力を電力に変え、無線送信に利用する例があります。

適用条件と例

論理回路では、入力の組合せごとに各段の出力を追うと、式の読み違いを減らせます。たとえばNANDの一方の入力が0なら、もう一方の入力値にかかわらず出力は1です。複雑な回路も、ゲートを順にたどって式を立て、真理値表で確かめられます。

平均電流の式は、動作状態と待機状態が繰り返される場合に使えます。たとえば動作時が4 mAで2秒、待機時が10 μAで8秒なら、単位をμAにそろえて（4000×2＋10×8）÷10＝808 μAです。待機時間が長くなると平均は待機時電流に近づきますが、待機時電流がゼロでない限り、ゼロとして計算できません。

周波数を分周すると、出力周波数は入力周波数を分周比で割った値になります。たとえば48 MHzを64分周すると0.75 MHzです。目標が0.8 MHzで許容範囲が±10％なら、範囲は0.72 MHzから0.88 MHzなので条件を満たします。目標値を基準に許容範囲を出して比較します。これは過去の出題で扱った補足です。

エネルギーを使う仕組みは、周囲のエネルギーを回収して電力に変えるのか、供給された電力を蓄えるのか、消費を抑えるのかで区別します。周囲の熱や振動などを電力源として使うならエネルギーハーベスティングです。電池の充電、給電ケーブルの利用、動作時間の制限は別の仕組みです。