はじめてのデジタル回路 Part 2

デジタル回路とタイミング

Part 1ではD-フリップフロップ回路について説明しました。
D-フリップフロップ回路では一定周期で入力を出力に出すために決まった間隔の信号が必要になります。この一定間隔の信号をクロック信号といい、クロック信号を発生させる製品をタイミングデバイスといいます。

タイミングデバイスの種類

水晶発振子などの製品をタイミングデバイスと呼びます。
発振と呼ばれる現象を利用しており、一定の周期で動作するため電気回路では指揮者のような役割を果たします。

発振回路

一定の周期を作るために発振と呼ばれる現象を利用します。
発振とは、あるきっかけをもとに一定周期で動作し続ける現象のことです。
圧電効果を利用した水晶発振子のほか、抵抗やコンデンサを使用したRC発振回路、
その他にも抵抗とインダクタ、コンデンサを使用したRLC発振回路やMEMS発振器、セラミック発振子などがあります。

水晶振動子

クリスタルとも呼ばれ、電圧をかけることで変形する圧電効果を持っています。
この圧電効果によって安定した周波数を得ることができます。
水晶は単結晶のため、大きさに関わらず、結晶の形状は必ず同じになります。
そのため、切り出す角度と形を一定にすることで同じ特性の水晶を作ることができます。発振周波数は切り出す厚みで決まります。

水晶発振器

水晶振動子と発振回路を一つにした電子部品です。
発振回路が内蔵されているため比較的簡単に使用することができます。

ジッタ

基準値の周波数のみが出力されることが理想ですが、基準の周波数に対して周波数のばらつきが生じます。この現象のことをジッタと呼びます。
要因としては大きく2つありますが、水晶発振器を使用した場合はランダムジッタが支配的となります。

• ランダムジッタ
  • 熱雑音、ショット、フリッカなど、物性によって生じるさまざまなジッタを総称します。
  • 水晶の特性に依存しているため予測することが難しいです。
• 確定的ジッタ
  • 周期的に繰り返されるジッタのことです。
  • 電子回路などによって生じるジッタのため、予測が可能です。

分周と逓倍回路

水晶発振子から得られる周波数は精度が高いといった特徴がありますが、カットの仕方や厚みといった物性で周波数が変わるため、欲しい周波数が得られない場合があります。
例えば、時計であれば秒針が1秒に1回動くため1Hzの周波数が必要です。
水晶を厚くすることで発振周波数を低くすることができますが、発振させることが難しくなります。
実際の製品では、低周波数用途であっても32,768Hzで発振します。
カウンタ回路を使用して15分周することで1Hzを得ることができます。(2^15=32768)

非常に高い周波数で動作させる場合も物性による制約があります。
水晶を薄くすることで周波数を高くすることができますが、強度などの限界があるため、逓倍回路(PLL)と呼ばれる周波数を高くする回路を使用する必要があります。
CPUで2.4GHzで動作させるのであれば、逓倍回路で24MHzを100倍にすれば実現できます。
(PLL回路についてはPart 3で説明します。)

今回はデジタル回路の基礎としてクロック信号について説明しました。
水晶振動子と外部回路を組み合わせることで、高精度かつさまざまな周波数を得ることができます。
そのため、データの通信から、演算、メモリへのデータ保存など、さまざまな用途で使用されており、デジタル回路を構成する基礎となっています。