ラッチ回路

ラッチ回路とは

ラッチ回路は、1ビットの情報を保持できる電子回路で、双安定マルチバイブレータの一種です。主にデジタル回路で利用されますが、アナログ回路への応用も存在します。ラッチ回路は、その動作原理によって様々な種類に分類され、それぞれ異なる特性を持っています。

ラッチ回路の概要

ラッチ回路は、クロック信号の有無によって同期式と非同期式に分けられます。同期式ラッチは、クロック信号のエッジで出力が変化するエッジトリガ型と、クロック信号がアクティブな期間は入力をそのまま出力するトランスペアレント型に分類されます。用語の使い方は様々で、エッジトリガ型をフリップフロップ、トランスペアレント型をラッチと呼ぶこともあります。ラッチ回路は、状態を記憶することができ、出力は現在の状態と入力の組み合わせによって決まります。このような回路を順序回路と呼びます。

近年の高速アナログ回路では、コンパレータや分周回路として差動のラッチ回路が広く用いられています。

代表的なラッチ回路

SRラッチ（セット・リセットラッチ）

SRラッチは、最も基本的なラッチ回路です。S（Set）入力がアクティブになると出力QがHighになり、R（Reset）入力がアクティブになると出力QがLowになります。SとRが両方とも非アクティブの場合、出力Qは以前の状態を保持します。NORゲートまたはNANDゲートを使用して実装できます。

SRラッチの動作

• - NORゲート構成: SとRが両方ともLowの場合、出力Qは以前の状態を保持します。SがHighになるとQがHighになり、RがHighになるとQがLowになります。SとRが両方ともHighの場合は出力が不定になります。この状態は通常禁止されています。
• - NANDゲート構成: NORゲート構成と動作は似ていますが、入力が反転します。SとRは負論理となり、両方ともHighの場合に以前の状態を保持します。両方ともLowになると出力が不定になります。SRラッチは歴史的に広く使われてきましたが、NANDゲートの方が回路を安価に構成できることが理由の一つです。

SRラッチの不定状態

SRラッチでSとRの両方がHighの場合、出力は不定となります。ICの品種によっては禁止されている場合もあります。しかし、自作回路では、この不定状態を利用して、2つの入力の変化速度のわずかな違いを検出する回路を構成することもあります。

JKラッチ

JKラッチは、SRラッチの不定状態を解消したラッチ回路です。JとKの入力があり、両方ともLowの場合は以前の状態を保持、JがHighでKがLowの場合は出力QをHigh、JがLowでKがHighの場合は出力QをLowにします。JとKの両方がHighの場合は出力Qを反転させます（トグル動作）。

ゲーテッドラッチ回路

ゲーテッドSRラッチ

ゲーテッドSRラッチは、SRラッチにイネーブル（Enable）入力を追加したものです。イネーブル入力がアクティブの時のみ、SとRの入力がラッチに影響を与えます。イネーブルが非アクティブの時は、出力は以前の状態を保持します。ゲーテッドSRラッチは同期式SRラッチとも呼ばれます。

ゲーテッドDラッチ

ゲーテッドDラッチは、D（データ）入力とイネーブル入力を持ち、イネーブルがアクティブな時、D入力の値がそのまま出力Qに現れます。イネーブルが非アクティブの時は、出力Qは以前の値を保持します。Dラッチは通過型ラッチとも呼ばれ、I/Oポートや非同期回路でよく使用されます。

ゲーテッドTラッチ

ゲーテッドTラッチは、クロック入力がある同期SRラッチの一種で、トグル（T）入力がHighの場合、クロック入力がストローブされるたびに状態が反転します。Tラッチは、JKフリップフロップやDフリップフロップを使用して構成することができます。

高速アナログ回路でのラッチ回路

ラッチ回路は、高速アナログ回路でも広く利用されています。特に、コンパレータの高速化や、ADコンバータ、分周回路などに応用されています。コンパレータとしてラッチ回路を使用する場合、前段へのキックバックノイズの影響を考慮する必要があります。

ダイナミック・ラッチ・コンパレータ

ダイナミック・ラッチ・コンパレータは、インバータとスイッチを使用して構成されるラッチ回路です。イネーブル信号がアクティブな時、入力信号がラッチに伝わり、非アクティブになると、クロスカップル部分が動作を開始し、入力信号のわずかな電位差を増幅して1ビットの情報をラッチします。この回路は高速動作が可能です。

トラック・アンド・ラッチ・コンパレータ

トラック・アンド・ラッチ・コンパレータは、ネガティブインダクタンス回路を用いて電流を操作し、ラッチ状態を作り出す回路です。バイポーラとCMOSの両方で高速動作を実現でき、高速のADコンバータなどで利用されます。

分周回路

差動Dラッチを2段組み合わせることで、2分周回路を構成することができます。

結論

ラッチ回路は、デジタル回路だけでなく、高速アナログ回路においても重要な役割を果たしています。多様なラッチ回路の原理と特性を理解することで、より効率的な回路設計が可能になります。

参考文献

フリップフロップ
論理ゲート
コンパレータ
マルチバイブレータ
* カウンタ (電子回路)

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