NANDゲートが万能の論理ゲートであることはよく知られています。論理ゲートは通常、トランジスタとその他のコンポーネントの組み合わせで構成されており、メーカーによって設計の複雑さが異なります。メーカーレベルでの複雑さに関係なく、NANDゲートと同じ入力/出力動作を示す4つのMOSFETトランジスタから作られた、かなりまともでシンプルなモデルがあります。 回路図は次のとおりです。
上半分には「ハイサイド」構成と呼ばれる2つのPチャネルMOSFETがあり、下半分には「ローサイド」構成と呼ばれる2つのNチャネルMOSFETがあります。簡単に言えば、1つの「ハイサイド」構成の期待される出力は入力の反対です（つまり、オン入力時はオフ出力になり、その逆も同様です）が、「ローサイド」構成は入力に従います（つまり、オン入力時はオンとなり、その逆もまた同じです）。これはわかりやすい文字による説明ですが、回路がどのように機能するかをよく理解できない場合があります。MOSFETが配置されている場所に「スイッチ」を重ねることで、より良い例えが見つかりました。 P-MOSトランジスタの「ハイサイド」構成は、ゲートに入力電圧が存在しない場合のノーマルクローズスイッチと同じです。 N-MOSトランジスタの「ローサイド」構成は、ゲートに入力電圧が存在しない場合のノーマルオープンスイッチと同じです。
考えられるすべての状態の一連の機能図を次に示します。
両方の入力がLOW
AはLOW、BはHIGH
AはHIGH、BはLOW
両方の入力がHIGH
N-MOSトランジスタが必要な理由を理解するのに少し時間がかかりました。出力をゼロまたはほぼゼロにするには、パスをグランドに「短絡」する必要があります。 N-MOSトランジスタは、両方の入力がHIGHの場合に両方ともオンになり、電力が供給されると閉じたスイッチとして機能するため、完全なパスを提供します。 出力は「正確に」ゼロにはなりませんが、標準でLOWと見なされるほど十分に低くなります（トランジスタにはある程度の電圧降下があるため、正確にゼロではありませんが、十分に近くなります）。 出力がNANDゲートの真理値表と一致することに注意してください。ここで約5V = 1、および約0V = 0（yは通常真理値表の出力を意味します）。
| A | B | y |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 0 |
すでにロジックゲートが作られているのに、なぜこのトピックを取り上げるのでしょうか？ゲートだけを扱う前に、ゲートがどのように動作するかを見ることが重要な場合があります。トランジスタを使用すると、電圧降下により電源電圧に比べてわずかな変化が生じます。これは、システムに「LOW」と「HIGH 」を伝えるための重要な概念です。また、この設定を利用してシミュレーションソフトウェアでロジックゲートをモデル化し、基板上で開発する前に回路をテストすることもできます。最終的には、LTSpiceでこのNANDゲート表現を使って、すべての基本ロジックゲートをモデル化した方法を紹介します。技術的にはプログラムがすでに作られているものもありますが、デフォルトとは異なるモデルを使用すると、ゼロから物事を構築するときに概念を理解するのに役立ちます。
これを実際に作ってみたいと思いませんか？ブレッドボード上で組み合わせることができる部品がいくつかありますので、実際に動作するかどうか試してみてください。
| 概要 | Digi-Key品番 | メーカー品番 |
|---|---|---|
| MOSFET N-CH 60V 32A TO220-3 | FQP30N06L-ND | FQP30N06L |
| MOSFET P-CH 40V 430MA TO92-3 | TP0604N3-G-ND | TP0604N3-G |
| ARDUINO UNO R3 ATMEGA328P EVAL | 1050-1024-ND | A000066 |
Arduinoの5Vピンは、両方のMOSFETを作動させるのに十分な電圧を持っていますがテストのためにどの電源を供給するかはあなた次第です。（電圧はマルチメータを使用して測定してください）