デジタル回路のポイント – プルアップ抵抗

デジタル回路のポイント – 抵抗による分圧と電圧降下

の続きとなります。

前回は，以下のような回路で，スイッチの抵抗値を，「ほぼ無限大」「ほぼゼロ」と扱うことで，A 点における電圧が，抵抗分圧により，それぞれ 5V，0V になることを確認しました。

この時の，抵抗 R をプルアップ抵抗と言います。

では，なぜこの抵抗が必要になるのでしょうか？

プルアップ抵抗を取ってしまったら…？

スイッチの抵抗値が「ほぼ無限大」または「ほぼゼロ」であれば，R の抵抗値はいくつであっても，理論上，スイッチがオフ，オンで，5V，0V になるはず…というのは，前回も書きましたが，では，この抵抗 R を無くしてしまったら，どうなるでしょうか？

このようになります。

スイッチオフ状態では，A 点が 5V になることはわかりますよね。

スイッチをオンにすると…

A 点の電圧は，分圧されるはずですが，はたしてどのように電圧が分割されるでしょうか？

う〜ん，これは難しいですね。明確に抵抗値が割り当てられていませんし，導線にもわずかながら抵抗値があるので，二分割されそうな気もしますが，導線の長さによっても変わってきそうで，とても不安定な状態です。

また，スイッチをオンにすると，プラス電源と，GND が，導線によって直結されます。導線とスイッチオン状態の抵抗値を「ほぼゼロ」と考えると，オームの法則により，流れる電流は無限大となってしまい非常にマズイ状態です（短絡状態と言います）。

このような問題が発生してしまうので，電源電圧との間に抵抗を入れて，電圧を安定させるわけです。

スイッチオンにした時に，確実に分圧されると同時に，短絡を回避する役目もあるんですね。

電源電圧に引き上げるので，プルアップというわけですね。

デジタル回路は，電圧の高い状態（H レベル）と電圧の低い状態（L レベル）で動作します。…というのは聞いたことありますよね。

ところが実際は，電圧の高い状態でも低い状態でもない状態があるのです。

Z80 コンピュータを作ろう！（その１）

以前，上記の記事内に，Z80 へのデバイス接続の際に，複数のデバイスを同一信号線に接続すると，信号がぶつかってしまうので，やり取りするデバイスのみと接続し，他のデバイスは電気的に切り離す必要があることを書きました。

この電気的に切り離された状態，言い換えると電圧の高い状態でも低い状態でもない状態を，（デジタル回路における）ハイインピーダンス状態と言います。（Hi-Z と略すこともあります）

また，このサイトで扱うデジタル IC は，ほとんどが CMOS 構造です。

CMOS IC の入力端子は，必ず電圧が高い状態か，低い状態のどちらか一方を接続する必要があります。

入力端子が，ハイインピーダンス状態（入力オープン状態とも言う）だと，その内部構造により IC が壊れる可能性もあるのです。（ちなみに出力端子がオープンになるのは問題ありません）

そのため，入力端子に接続されているデバイスが切り離されている状態でも，入力電圧を安定させるために，プルアップ抵抗で電源電圧まで引き上げるわけです。

このようにプルアップされている状態で，接続デバイスの出力が，入力端子を電圧が低い状態（L レベル）にすると，先程のスイッチの例と同じく，L レベルが入力されます。

また，入力端子を電圧が高い状態（H レベル）にすると，プルアップの抵抗は無視され，H レベルが入力されるというわけです。

前回の分圧の説明で，A 点に接続するデバイスの内部抵抗によって，電圧値が変わる云々…と書きました。

では，A 点に CMOS デジタル IC の入力端子を接続したらどうなるでしょうか？

結論としては，R の抵抗値が数kΩ 〜数10kΩ 程度であれば，特に問題はなく，プルアップ抵抗として機能します。

それは，CMOS のデジタル IC は入力抵抗が非常に高い（メグΩ 単位）からです。

入力抵抗が高いからと言って，R の抵抗値をそれに近い値か，それを超える高抵抗値にすると，R で電圧降下が発生して，プルアップの意味がなくなってしまいます。

では，R の抵抗値はどれくらいがいいのでしょう…？

一般的によく 10kΩ くらいが丁度よいと言われます。抵抗値が低いと，流れる電流値が高くなって消費電力が上がってしまいますし，抵抗値が高いと，ノイズを拾いやすくなったり，反応速度が遅くなったり，上記のような電圧降下問題もあります。

私の場合は，概ね，10kΩ を使用し，反応速度が気になる部分はそれよりも低くしたりしています。

プルアップ抵抗は，入力がオープン状態など，電圧が不安定な状態を，H レベルに引き上げるために使用する。特に CMOS デバイスは入力をオープンにしてはいけない。
入力オープンな状態は H レベルに固定され，この状態で，入力を H レベル，Lレベルにするとそれぞれそのまま H レベル，L レベルになる。

以上，スイッチ入力とプルアップ抵抗について書いてみました。

次回は，デジタル IC の論理ゲートに関して，書いてみたいと思います。