NOTゲート

NOTゲート（インバータ）とは

NOTゲートは、デジタル回路における基本的な論理ゲートの一つで、入力された論理値を反転させる役割を持ちます。入力が真（1）であれば偽（0）を、入力が偽（0）であれば真（1）を出力します。この動作は、インバータとも呼ばれます。

記号

NOTゲートの回路図における記号は、ANSI、IEC、DINの各規格で規定されており、それぞれ異なる表現が用いられますが、機能は同じです。

電子回路での実装

NOTゲートは、トランジスタと抵抗器を組み合わせて実現できます。最もシンプルな構成は、NMOSまたはPMOSのMOSFETと抵抗器を組み合わせたもので、「ドレイン抵抗」方式と呼ばれます。この方式は製造コストを抑えられますが、電力消費が大きいという欠点があります。

より効率的な実装方法として、CMOS構成があります。CMOSでは、相補的なNMOSとPMOSのトランジスタを組み合わせることで、どちらか一方が常にOFFになるため、電力消費を大幅に削減できます。また、スイッチング速度も向上します。

さらに、バイポーラトランジスタを用いたRTLやTTLといった構成も存在します。

デジタル回路における役割

NOTゲートは、デジタル回路において、論理の0と1に対応する電圧レベルの反転を行います。実際の電圧レベルは、使用される回路の種類（TTLやCMOSなど）によって異なりますが、例えばTTLでは0Vと+5Vといった電圧が用いられます。

NOTゲートは、ラッチ回路、マルチプレクサ、デコーダ、状態機械など、さまざまなデジタル回路の基本要素として使用されています。

ヘックス・インバータ

「ヘックス・インバータ」は、NOTゲートを6個集積した集積回路です。例えば、TTLの7404やCMOSの4049などが該当します。これらのICは、複数のNOTゲートを必要とする回路設計において、部品点数を減らし、効率的な実装を可能にします。

電気的特性と性能測定

NOTゲートの性能は、電圧伝達曲線（VTC）を用いて測定されます。VTCは、入力電圧と出力電圧の関係をグラフ化したもので、これを見ることで、NOTゲートの耐雑音性、利得、論理レベルとして使用可能な電圧範囲などを評価できます。

理想的なNOTゲートでは、VTCはステップ関数を反転させた形になります。つまり、ある特定の電圧を境に、出力電圧が急激に変化します。しかし、実際のデバイスでは、2つの電圧レベルの間で徐々に変化する領域が存在します。

この曲線の傾斜が急峻であればあるほど、スイッチングが正確に行われることを意味します。

耐雑音性

耐雑音性は、VOH（出力電圧HIGH）とVIL（入力電圧LOW）の比で示されます。これらの電圧は、回路の動作時にHIGHとLOWの電圧範囲をどのように設定するかによって変わります。

出力電圧

出力電圧VOHは、複数のNOTゲートをカスケード接続する際に、後続のゲートを駆動できる能力を示します。

アナログ的利用

NOTゲートは、保証された利用法ではありませんが、条件によっては反転アンプや反転バッファとして動作させることが可能です。しかし、この利用方法では、内部の素子のスレッショルドや電源電圧、入力電圧の関係によっては、貫通電流が流れる可能性があるため、注意が必要です。一部の電子工作では、この特性を利用した作例が見られます。

まとめ

NOTゲートは、デジタル回路の基礎となる重要な要素です。そのシンプルな構造と機能は、複雑なデジタルシステムの構築に不可欠であり、今後も電子工学分野において重要な役割を果たし続けるでしょう。

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