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参考文献
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参考書名： 人工知能パートナー（ＡＩＰＳ）を支える
デジタル回路の世界
ISBN 978-4-88359-339-2 C3055
本体 9000円＋税
Ｂ５サイズ 上製 475ページ （ハードカバー）
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書籍の出版社の紹介
TEL: 042-765-6460(代) 青山社
https://www.seizansha.co.jp/ISBN/ISBN978-4-88359-339-2.html
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補足資料 人工知能パートナーシステム(AIPS) を支える基礎知識（４）
(４)デジタル回路
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本書「デジタル回路の世界」を購入された読者のみなさまには、
本書購入日時と購入手段（購入書店）を記載の上、
hagihara-yoshiaki@aiplab.com にご連絡いただければ、
この補足資料の解答集 (Lecture Note) をお送りします。
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人工知能パートナーシステム(AIPS)
を支える基礎知識
(４)デジタル回路
講義 01
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1.01 デジタルとアナログの違いは何か？
1.02 デジタル回路とアナログ回路の違いは何か？
1.03 NMOS トランジスターとは？その電圧電流特性を説明せよ。
Off,On,Sat,Passの４つの動作modeを図示し説明せよ。
しきい電圧 VthN とは何か？ チャンネル電位 VchN とは何か？
コンデンサーとは何か？ 容量値 C を決める物理変数は何か？
電荷量Qと電流Iの関係は何か？
NMOS トランジスターの電流の源となる荷電粒子は何か？
1.04 PMOS トランジスターとは？その電圧電流特性を説明せよ。
Off,On,Sat,Passの４つの動作modeを図示し説明せよ。
しきい電圧 VthP とは何か？ チャンネル電位 VchP とは何か？
PMOS トランジスターの電流の源となる荷電粒子は何か？
1.05 CMOS inverter回路の入出力特性を説明せよ。
CMOS inverter回路のしきい電圧 VT とは何か？
５つの動作modeを図示し説明せよ。
1.06 いろいろな Inverter 回路の入出力特性を図示し説明せよ。
その中でデジタル信号処理に最も適した回路はどれか？
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人工知能パートナーシステム(AIPS)
を支える基礎知識
(４)デジタル回路
講義 02
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2.01 ２つの n-bit数 A[ ]とB[ ]を加算する n-bit加算回路 ADD( )を定義せよ。
c = Carry Bit とは何か？
{ A[ ], B[ ] } ADD( ) -> { c, D[ ] } ;
2.02 ２進法１bitの Half Adder 回路 HA( )の入出力特性を定義し、
さらに、基本論理回路 inv( ),AND( ),OR( ),EXOR( )を定義し、
Half Adder 回路 HA( ) を構築せよ。
{ a, b } HA( ) -> { c, d } ;
2.03 NMOSトランジスター と PMOSトランジスターを組み立てて、
次の基本論理回路を構築せよ。
inv( ),NAND( ),AND( ),NOR( ),OR( ),EXOR( ) 回路
2.04 Half Adder 回路 HA( ) を inv( ),AND( ),OR( )回路だけで構築せよ。
2.05 ２進法１bitの Full Adder 回路 FA( )の入出力特性を定義し、
FA( ) を inv( ), AND( ), OR( )回路だけで構築せよ。
次の２つのcodeの違いの意味は何か？
{ a, b, c } FA( ) -> { d, e } ;
{ a[m], b[m], c[m] } FA(m) -> { d[m], c[m+1] } ;
2.06 ２つの n-bit数 A[ ]とB[ ]を 加算する n-bit加算回路 ADD( )を
n個の Full Adder 回路 FA(m) for m=0 to (n-1) を連結して構築せよ。
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人工知能パートナーシステム(AIPS)
を支える基礎知識
(４)デジタル回路
講義 03
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3.01 補数とは？ 10進法での補数、２進法での補数について説明せよ。
２進法での補数を出力するデジタル回路とはどんな回路か？
3.02 補数を使ってひき算をする計算手法(algorithm)を
10進法と２進法の場合で説明しなさい。
3.03 Full Adder 回路 FA( )を複数個連結して
N-bit の引き算回路 SUB( ) を構築しなさい。
3.04 N-bitの加減算回路 ADDSUB( )を定義しなさい。
3.05 ２進法数 A[ ]の、２の補数B[ ]の、２の補数C[ ]とする。
C[ ]=A[ ] となることを説明しなさい。
3.06 Exclusive OR 回路 EXOR( )を使って加減算回路を構築しなさい。
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人工知能パートナーシステム(AIPS)
を支える基礎知識
(４)デジタル回路
講義 04
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4.01 簡単な論理式を例にベン図を描け。
4.02 A,B,Cの３つの円で構成される集合図を使って、
簡単なベン図を描き、その図に対応する論理式を求めよ。
4.03 論理式の簡略化について具体的な例で説明せよ。
4.04 加法標準形とは？乗法標準形とは？簡単な真理値表を例に説明せよ。
4.05 カルノー図を使って簡単な論理式を例に、その論理式を簡略化せよ。
4.06 ２入力NOR回路、２入力NOR回路、２入力NAND回路、
３入力NAND回路と EXOR 回路のベン図を描け。
4.07 ２入力AND( )回路を使って、３入力AND3( )回路、４入力AND4( )回路を構築せよ。
4.08 diode の整流特性を説明せよ。太陽電池とは？
diode抵抗回路 DR( ) の入出力電圧関数の式を説明せよ。
4.09 入力信号が矩形パルスの時の、diode抵抗回路 DR( ) の出力波形を求めよ。
4.10 NPN Bipolar Transistor で形成される反転回路 invBip( )の入出力特性を説明せよ。
NPN Bipolar Transistor で NOR 論理のNORBip( )回路を形成せよ。
4.11 NMOS( N1とN2 ) transistor と PMOS( P1とP2 ) transistor で
NOR( )回路 と NAND( ) 回路を形成せよ。
4.12 Open Collector 型出力とは？ Open Drain 型出力とは？
Emitter Follower型出力とは？ Source Follower型出力とは？
4.13 かけ算回路 KAKE( )を 加算回路 ADD( )を使って構築せよ。
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人工知能パートナーシステム(AIPS)
を支える基礎知識
(４)デジタル回路
講義 05
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5.01 N-type Switch 回路 swN( ) を定義せよ。
NMOS( ) のtransistor１個で構成した場合の問題点を説明せよ。
5.02 P-type Switch 回路 swP( ) を定義せよ。
PMOS( ) のtransistor１個で構成した場合の問題点を説明せよ。
5.03 CMOS Switch 回路 CswN( ) と CswP( ) について説明せよ。
5.04 BCD Encoder 回路 BCDencd( ) を設計せよ。
ただし、入力信号A[ ] が all zero の時、 出力信号 B[ ]=(1111) とし、
入力信号A[ ]のうち、２つ以上の信号線が high の時は B[ ]=(1110) を出力する。
最後に BCD Decoder 回路 BCDdecd( )の設計手順について説明せよ。
5.05 Multiplexer 回路 MULTP( )を設計せよ。
5.06 Demultiplexer回路 DEMULTP( )を設計せよ。
5.07 n-bit の一致回路 CMPN( )を設計せよ。
5.08 わり算回路 WARU( ) 回路を設計せよ。
２つの入力信号ベクトルを n-bit の A[ ] と B[ ] とし、
わり算の計算結果を A[ ]/B[ ] = C[ ].D[ ] とする。
有効桁数を kMax とする。
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人工知能パートナーシステム(AIPS)
を支える基礎知識
(４)デジタル回路
講義 06
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6.01 4 bit Encoder 回路 ECD4( )を設計せよ。
define ECD4( ) { input A[ ]; output B[ ];
A[1]A[3]OR(1)->B[0];A[2]A[3]OR(2)->B[1]; }
6.02 2 bit Decoder回路 DECD2( )を設計せよ。
define DECD2( ) { input B[ ]; output A[ ];
B[0]inv(1)-->BB[0]; B[1]inv(2)-->BB[1];
BB[0] B[1]AND(0)-->A[0] ;B[0]BB[1]AND(1)-->A[1] ;
BB[0] B[1]AND(2)-->A[2] ;B[0] B[1]AND(3)-->A[3] ; }
6.03 ７ segment LED回路の segment(a)を出力する回路 7SegA( )を設計せよ。
define 7SegA( ) { input B[ ]; output a ;
B[2]inv(1)-->BB[2]; B[0]inv(2)-->BB[2];B[2] B[0]AND(1)-->C[1] ;
BB[2]BB[0]AND(2)-->C[2]; B[3]B[1]C[1]C[2]OR4(1)-->a ; }
6.04 ３入力Multiplexer回路 MLTX3( )回路を設計せよ。
define MLTX3( ) { input A[ ]; output F;
S[0]inv(1)-->BS[0]; S[1]inv(2)-->BS[1];
A[0]BS[1]BS[0]AND3(1)-->C[1];A[1]BS[1] S[0]AND3(2)-->C[2];
A[2] S[1] S[0]AND3(3)-->C[3]; C[1]C[2]C[3]OR3(1)-->F; }
6.05 8 bit 一致判定回路 Match8( )を設計せよ。そのDCDL codeを示せ。
6.06 1 bit比較判定回路 Comp( )を設計せよ。
define Comp( ) { input A.B; output C[ ];
[A]inv(1)-->[BA];[B]inv(2)-->[BB];
[A][BB]AND(1)-->C[1]; [B][BA]AND(2)-->C[2]; }
6.07 けた借り型の 1 bit 減算回路 HS( )を設計せよ。
define HS( ) { input X,Y; output K,Z;
[X]inv(1)-->[BX]; [BX][Y]AND(1)-->[K]; [X][Y]EXOR(1)-->[Z]; }
6.08 1 bit の Dynamic Shift Register 回路 DSR( )を設計せよ。
define DSR( ) { input Vin,Write,Read ; output Vout;
[Vin][Write]swN(1)-->[VA]; CA(VA,GND);
[VA]inv(1)-->[VB]; CB(VB,GND);[VB][Read]swN(2)-->[Vout]; }
７段のDynamic Shift Register回路 DSR7( )を設計せよ。
Vin(t) がどの様に伝搬し、Vout(t)として出力されるかを説明せよ。
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人工知能パートナーシステム(AIPS)
を支える基礎知識
(４)デジタル回路
講義 07
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7.01 単純な 1 bit 記憶回路の回路図を描け。
inverter 回路の大きさが、data の書き込み時に、
重要な影響を与えることを説明せよ。
7.02 Reset&Set の Flip Flop 回路 RSFF( )を定義せよ。
7.03 Reset&Set の Flip Flop 回路 RSFF( )において
入力が R=S=1 となることが禁止されている理由を説明せよ。
7.04 Chattering 現象とは？その防止策はなにか？
7.05 R=S=1 を許す RRSFF( )回路とRSSFF( )を定義せよ。
7.06 data Flip Flop 回路 DFF( ) を定義せよ。
7.07 toggle Flip Flop 回路 TFF( )を定義せよ。
7.08 非同期回路と同期回路の違いは？
7.09 帰還形 J-K Flip Flop 回路 JKFF( )の問題点を説明せよ。
7.10 Master-Slave型 Flip Fop 回路 MSJKFF( )を定義せよ。
7.11 いろいろな種類(タイプ）の1 bit 記憶回路を説明せよ。
特に USB メモリーの記憶回路は何タイプ回路か？
7.12 大容量メモリーの構成について説明せよ。
7.13 大容量メモリーで書き込み動作に必要な信号制御回路とは何か？
7.14 大容量メモリーで読み出し動作に必要な信号選別回路とは何か？
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人工知能パートナーシステム(AIPS)
を支える基礎知識
(４)デジタル回路
講義 08
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8.01 Shift Register とは？
4-bit shift register ShiftReg4( )回路を 定義せよ。
8.02 preset/clear 付き D-FF( )回路とは？
8.03 parallel to serial data 変換回路を定義し、
その回路を DFF( ）回路で構築せよ。
8.04 非同期 Binary Counter とは？
その欠点は？
8.05 同期型8進Counter回路とは？
8.06 ①非同期Counterと同期Counterの長所と短所について説明せよ。
②１入力NAND回路NAND( )回路を複数個使って、
４入力NAND回路 NAND4( ) を 構築する場合の、
各構築方法で、信号遅延時間について説明せよ。
③１０進Counterを設計せよ。
まず、B[ ]={ B[3],B[2],B[1],B[0] } の State Vector 表を作成せよ。
特に B[1]の状態値(State Value)が high=1 になるための条件を
B[3]とB[0]の値から見極めて、付属論理回路の創案設計構築に挑戦せよ。
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人工知能パートナーシステム(AIPS)
を支える基礎知識
(４)デジタル回路
講義 09
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9.01 Schmitt Trigger Inverter 回路 invSMT( )の性質について説明せよ。
9.02 無安定MultiVibrator回路の性質について説明せよ。
9.03 単安定(Mono Stable) MultiVibrator回路の性質について説明せよ。
9.04 RC回路を使った inverter遅延回路の動作を説明せよ。
9.05 単安定MultiVibrator回路を遅延回路として使った場合を説明せよ。
9.06 diodeを使用して、入力信号の「首を切る」回路について説明せよ。
9.07 diodeを使用して、入力信号の「足を切る」回路について説明せよ。
9.08 diode の Limitter 回路について説明せよ。
9.09 Zenor diode の性質について説明せよ。
首切り・足切りのZenor Diode回路について説明せよ。
9.10 Clamp回路の性質について説明しなさい。
9.11 Bipolar型無安定MultiVibrator回路について説明せよ。
9.12 Chattering 防止回路の性質について説明せよ。
9.13 （diode＋抵抗体）型の足切回路の特性について説明せよ。
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人工知能パートナーシステム(AIPS)
を支える基礎知識
(４)デジタル回路
講義 10
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10.01 次のDCDL codeで定義された 重み付け抵抗型A/D変換器の回路図を描け。
define ADCswr( ){ input Vdd,GND,S0,S1,S2,S3; output Vout;
N0(S0,Vdd,V0);N1(S1,Vdd,V1);N2(S2,Vdd,V2);N3(S3,Vdd,V3);
R0(V0,Va)=R;R1(V1,Va)=R/2;R2(V2,Va)=R/4;R3(V3,Va)=R/8;
Rf(Vout,Va);[Va,GND]OpAMP(1)->[Vout]; }
解析的に 入力信号 Vout の値を 入力信号の関数として求めよ。
10.02 次のDCDL codeで定義された PMOS型 Operational Amplifier の回路図を描け。
define OpeAmpP( ) { input Vdd,-Vdd,Va,Vb; output Vout;
P1(V1,Vdd,V1);P2(V2,V1,V2);P3(-Vdd,V2,-Vdd);
P4(V1,Vdd,V3);P5(Vb,V3,V4);P6(Va,V3,V5);
N1(V4,V4,-Vdd);N2(V4,V5,-Vdd);
P7(V1,Vdd,Vout);N3(V5,Vout,-Vdd); }
基準電圧発生回路(P1,P2,P3)の出力電圧 V1 の値と Vdd の関係を説明しなさい。
出力Buffer回路(P7,N3)の入出力特性について説明しなさい。
中央の作動アンプ回路(P4,P5,P6,N1,N2)にはどんな機能を期待するか？
10.03 次のDCDL codeで定義されたNMOS型基準電圧発生回路 NNN( ) の回路図を描け。
define NNN( ) { input Vdd, GND; output Vout;
N1(Vdd,Vdd,V1);N2(V1,V1,Vout);N3(Vout,Vout,GND); }
出力電圧 Vout の値と Vdd の関係を説明しなさい。
10.04 次のDCDL codeで定義された 出力Buffer回路 BufferPN( ) の回路図を描け。
define BufferPN( ) { input Vdd, GND, Vin, VCG; ouput Vout ;
P(Vin,Vdd,Vout);N(VCG,Vout,GND); }
この出力Buffer回路の入出力特性を説明しなさい。
10.05 次のDCDL codeで定義されたLadder抵抗型D/A変換回路の回路図を描け。
define DACLadRRR( ) { input Vdd,GND,S0,S1,S2,S3; output Vout;
R3(Vdd,V2 )=R ;RA3(Vdd,Va3)=2R;P3(S3,Va3,GND);N3(S3,Va3,GND);
R2(V2 ,V1 )=R ;RA2(Vdd,Va2)=2R;P2(S2,Va2,GND);N2(S2,Va2,GND);
R1(V1 ,V0 )=R ;RA1(Vdd,Va1)=2R;P1(S1,Va1,GND);N1(S1,Va1,GND);
R0(V0 ,GND)=2R;RA0(Vdd,Va0)=2R;P0(S0,Va0,GND);N0(S0,Va0,GND);
Rf(Vout,Va);{Va,GND} OpAmpP(1)->Vout; }
10.06 二重積分型A/D変換器の動作原理を説明せよ。
10.07 遂次比較型A/D変換器の動作原理を説明せよ。
10.08 次のDCDL codeで定義された 4 bit D/A 変換回路の回路図を描き、
その出力特性を説明しなさい。
define DACRRR( ) { input Vdd,GND,B0,B1,B2,B3; output Vout;
N3(B3,Vdd,V3);R3(V3,GND)=Ro/8;N2(B2,Vdd,V2);R2(V2,GND)=Ro/4;
N1(B1,Vdd,V1);R1(V1,GND)=Ro/2;N0(B0,Vdd,V0);R0(V0,GND)=Ro ;
Rout(Vout,GND) ;
10.09 次のDCDL codeで定義された 2 bit A/D 変換回路の回路図を描き、
Encoder( ) 回路の出力関数を求めなさい。
define ADC2RROpAmpEnc( ) { input Vdd,GND,Vin; output B1,B2 ;
R3(Vdd,V2)=R;R2(V2,V1)=R;R1(V1,V0)=R;R0(V0,GND)=R;
{Vin,V2}OpeAmp(2)->[Y2];{Vin,V1}OpeAmp(2)->[Y1]
{Vin,V0}OpeAmp(0)->[Y0];{Y2,Y1,Y0}Enc(1)->{B1,B2};}
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人工知能パートナーシステム(AIPS)
を支える基礎知識
(４)デジタル回路
講義 11
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11.01 デジタル記憶回路の関数モデルについて説明しなさい。
① refresh mode で実行されることは何か？
② 読み書きmode で共通に実行されることは何か？
③ 書き込みmodeで実行されることは何か？
11.02 Decoder回路とは？
11.03 Encoder回路とは？
11.04 Pass transistor （ Switch Transistor ）の水門モデルを説明せよ。
NMOS transistor の各動作を水門モデルを使って説明せよ。
11.05 いろいろな電子部品について説明せよ（review questions !)
①抵抗体
②Diode
③Bipolar Transistor
④容量Ｃ
⑤NMOS transistor、そして、
⑥USBメモリーの基本電子部品
Floating Gate型のNMOS transistorの断面構造を描き、
その動作原理を説明しなさい。
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人工知能パートナーシステム(AIPS)
を支える基礎知識
(４)デジタル回路
講義 12
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12.01 CMOS inverter 回路の機能を説明せよ。
CMOS inverter 回路を描き、その入出力特性を説明せよ。
12.02 Schmitt inverter 回路の機能を説明せよ。
Schmitt inverter 回路を描き、その入出力特性を説明せよ。
12.03 Analog data 比較回路の機能を説明せよ。
Analog data 比較回路を描き、その入出力動作を説明せよ。
12.04 オペアンプ回路の機能を説明せよ。
オペアンプ回路を描き、その入出力動作を説明せよ。
12.05 Digital data 比較回路の機能を説明せよ。
Digital data 比較回路を描き、その入出力動作を説明せよ。
12.06 たし算回路と引き算回路を設計しなさい。
かけ算回路と割り算回路を設計しなさい。
12.07 メモリー回路にはどんな種類があるか？DRAM,SRAM,NVRAMとは？
RS-FF回路、JK-FF回路、MSJK-FF回路、D-FF回路を設計しなさい。
T-FF回路とは？Counter回路を設計しなさい。
12.08 Pulse遅延比較回路を設計しなさい。
12.09 はしご型D/A変換回路を設計しなさい。
A/D変換器とCounter回路等を使ってA/D変換器を設計しなさい。
12.10 高速離散フーリエ変換回路（FFT回路）を設計しなさい。
奇数偶数分離構成のFFT回路とは？ T/n sampling 方式とは？
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補足資料 人工知能パートナーシステム(AIPS) を支える基礎知識（４）
(４)デジタル回路
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