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FAQ 1008978 : 電源電圧と動作クロック(Operation Voltage and System clock)

電子回路は使用する電源電圧により動作速度が変化します。一般に、同じ製造プロセスで製造されていれば、電源電圧が高いほど高速で動作できます(これまでは、製造プロセスが微細化するほど高速動作が可能でした)。
昔のロジック回路は長いこと5Vでの動作が大半でしたが、その後3.3Vとなり、現在ではいろんな電源電圧で用いられています。
最近のマイコンではCMOS化されたことで、1.8Vや2.3Vから5.5Vまでと広い電圧範囲で動作するようなものもあります。




コーヒーブレーク

通常CMOSのロジックICは広い電圧範囲で動作します。昔の4000シリーズではTTLが5Vだけで動作していたときにも5V~15Vで動作可能でした。
初期のマイコンでも内部の動作電圧は12Vで、外部とのインタフェースをTTLに合わせて5Vにしていました。この当時はマイコンも単なるCPU機能のLSIで、外部の各種ICと組み合わせる必要があったので電源を使い分ける必要がありました。シングルチップマイコンになると、外部のICとインタフェースが必要なくなり、自由に電源電圧を選べるようになってきています。初期のシングルチップマイコンでは、今では殆んど見かけませんが、P-ch・MOS構造のもの存在し、10V程度の電源電圧で動作していました。また、N-ch・MOSのものや初期のCMOSのシングルチップマイコンでは5V動作でした。プロセスの微細化により動作する電源電圧は低くなり、1.8Vで動作するものもあります。


そのため、マイコンによっては電源電圧に応じて最高動作周波数が何通りか決められているものもあります。また、最高動作周波数と別に発振回路の発振可能周波数も電源電圧により異なる場合があります。
マイコンの動作クロックとしては、入力された(または発振した)クロックを複数の分周比で分周したものの中から切り替えて選べます。通常は低い周波数のクロックで起動するようになっているので、電源電圧を検出できれば、電源電圧に応じて適した周波数をソフトウェアで選択すればよいことになります。
ところが、発振周波数は使用する発振子で固定されてしまいます。つまり、発振周波数に対応した電源電圧になるまでマイコンが動作しないようリセットをかけておくなど、ハードウェアで対策しておく必要があります。FAQの「クロックとリセット」も参照してください。

 

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