CMOSレベル

【初心者向け】CMOSレベルについて解説します!

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困っている人

ICの仕様書で「CMOSレベル」という用語がよく出てくる。
どんな意味なんだろう?

こんな疑問を解消します。

「CMOSレベル」とは、P-ch/N-ch MOSFETで構成されたCMOSを用いたICの『入出力閾値電圧』です。

多くのICがCMOSで構成されているため、電子回路設計者ならCMOSレベルは必ず覚える必要があります。

 
そこで今回は、『CMOSレベル』について解説していきます!
 

本記事の内容・ CMOSとは
・ デジタル回路のCMOSレベル
・ 異なる電源電圧のCMOS-IC間の入出力
・ CMOSの関連知識

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回路設計エンジニアの年収

CMOSとは

電子回路
CMOSとは、『P-ch/N-ch MOSFETを相補的に組み合せたデジタル回路の一種』であり、コンピュータをはじめとした様々な電子機器で使用されています。

「Complementary Metal Oxide Semiconductor」を略しており、以下の特徴があります。

CMOSの特徴

・電源は3V ~ 16V

・電源が『Vdd』と定義される

・ノイズに強い

・消費電力が小さい(発熱が小さい)

 
とりあえず、以上の特徴を頭に入れておきましょう。

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もっぷ

CMOSの基礎知識を得たい方は、下記をご覧ください。

★【初心者向け】CMOSとは?簡単に解説します!

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CMOSとは何か
 

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もっぷ

続いて、「CMOSレベル」について説明していきます。

 

デジタル回路のCMOSレベル

波形測定
「CMOSレベル」とは、CMOSが動作する信号レベルのことを意味します。

以下に、デジタル回路で『0』と『1』の2つの状態をどのように判断するか示します。

 “0”と認識する電圧範囲“1”と認識する電圧範囲
入力電圧0 ~ 0.30 × Vdd0.70 × Vdd ~ Vdd
出力電圧0 ~ 0.15 × Vdd0.85 × Vdd ~ Vdd

 
以上のように、CMOS ICは『入出力の電圧レベルと論理が電源電圧によって変わる』ため、CMOS IC間で信号をやり取りする際は、電圧変換が必要な場合もあるのです。

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続いて、電源電圧が異なるCMOS-IC間で信号をやり取りする際の問題例を説明します。

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異なる電源電圧のCMOS-IC間の入出力

異なる電源電圧のCMOS-IC間の入出力
上図のように、3V電源ICから5V電源ICにHi信号を送信しようとする場合を考えてみましょう。

残念ながら、3V × 0.85 = 2.55V < 5V × 0.70 = 3.5Vであるため、閾値電圧を満たせません。

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もっぷ

このように、電源電圧が異なると、正常に入出力判定できないことがあります。

それに対して、TTLなら電源電圧が異なっていても、正常に入出力判定で可能です。

 
TTLについては、以下の記事で紹介してるため、ぜひご覧ください。
 
★【初心者向け】TTLの意味・レベルについて解説します!

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TTLの意味やレベル
 

CMOSの関連知識

電子回路
CMOSレベルを理解できたら、下記も覚えておくことをオススメします。

CMOSの関連知識

・CMOSのファンアウト

 
上記は、『CMOSを扱う上で必須の知識』です。

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もっぷ

何を示すかイメージできなかった方は、ぜひ下記をご覧ください。

★【初心者向け】CMOSのファンアウトについて解説します!

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CMOSのファンアウト
 

CMOSレベルまとめ

まとめ
いかがでしたでしょうか。

電子回路を扱う上で『CMOSレベル』は必須の知識です。

CMOSレベルについて、しっかりと理解しておきましょう。

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