コンピューターシステムでデジタル0が0Vではないのはなぜですか？

私はコンピューターシステム設計コースを受講しており、教授は、デジタルシステムでは、デジタル0とデジタル1を表すために使用される従来の電圧は年々変化していると語っています。

明らかに、80年代には5 Vが「高」として使用され、1 Vが「低」を示すために使用されていました。現在、「高」は0.75 V、「低」は約0.23 Vです。彼は、近い将来、0.4 Vが高、0.05 Vが低を示すシステムに移行するかもしれないと付け加えました。

彼は、これらの値が小さくなり、消費電力を削減できると主張しました。その場合、なぜ「低」を正の電圧に設定するのに苦労するのですか？真の0 V（電力線から中性、私は推測する）電圧に設定しないのはなぜですか？

「理想的な」値と有効な入力範囲を混同しています。

通常のロジックでは、理想的な条件では、論理ゼロは正確に0Vになります。ただし、現実の世界では完璧なものはなく、電子出力には一定の許容範囲があります。実際の出力電圧は、ワイヤの品質、EMIノイズ、供給に必要な電流などに依存します。これらの欠陥に対応するために、ロジック入力は電圧の全範囲を0（または1）として扱います。アンディの答えの写真をご覧ください。

講師がおそらく0.75Vで意味することは、論理0の範囲を作るポイントの1つです。

0と1の間には空の範囲もあることに注意してください。ここで入力電圧が低下すると、入力回路は適切な動作を保証できないため、この領域は禁止されていると言われます。

混乱しています。たとえば、TTLを見てください。-

低入力レベルは、0ボルトから0ボルトを超える小さな値までです（TTLの場合は0.8ボルト）。

なぜ正の電圧に「低」を設定するのに手間がかかるのですか？

トラブルが発生して、特定の小さな値を下回っていることを確認します。

ここから写真。

真のゼロボルトロジックシグナリングを生成することは不可能です。回路は無限に完全ではないため、ある程度の許容誤差が必要です。それを無限に完璧にしようとするお金を使うことは、設計資金の良い投資でもありません。デジタル回路は、論理ゲートである非常にシンプルで耐性のある回路の膨大な数のコピーを使用するため、急速に増殖し、進歩しました。

2値状態1および0は、デジタル論理回路では、それぞれロジックハイおよびロジックロー電圧で表されます。論理ハイと論理ローを表す電圧は、使用中の論理ファミリの事前定義された範囲と事前に合意された範囲に分類されます。

これらの範囲内の電圧で動作する能力は、デジタルロジック回路の主な利点の1つです。それは失敗ではありません。論理ゲート入力は、論理高電圧と論理低電圧を簡単に区別できます。論理ゲート出力は、有効な論理高電圧と低電圧を生成します。論理信号がゲートを通過するときに、小信号ノイズが除去されます。各出力は、入力信号を良好なロジック電圧に復元しています。

アナログ回路では、目的の信号からノイズを区別し、ノイズを完全に除去することは、より困難で実際的に不可能です。

他の回答によって作成されたポイントに加えて、高速スイッチング速度での寄生容量の問題があります（通常、ワイヤや他のコンポーネントの容量は無視されます）。ワイヤには通常わずかな抵抗もあります。（非常に単純化されたモデル！）

^{この回路のシミュレーション – CircuitLabを使用して作成された回路図}

RCネットワークであるため、これは指数関数的な減衰曲線（V〜e ^ -kt）になります。レシーバーがしきい値を非常に低く設定すると（0Vに近い）、しきい値をトリガーするのに十分な出力電圧降下をかなり待つ必要があります。この時間は取るに足らないように思えるかもしれませんが、1秒間に100万回（10億回も）を切り替えるデバイスの場合、これは問題です。解決策は、指数関数のロングテールを避けるために、「オフ」電圧を上げることです。

完璧なものは何もないので、これに余裕を持たせる必要があります。これらの数値はしきい値です。システムの可能な最低電圧が0Vで、しきい値が0Vの場合、すべてのコンポーネントと配線が完全な導体ではない（つまり、常にある程度の電圧降下がある）場合、ノイズのない環境ではノイズはありませんか？0Vを確実に出力することはできませんが、それを行うことさえできなければ、システムは決して残されません。

2レールシステム（通常、単一の正電圧とグラウンドだけで電力供給されるチップ）では、スイッチまたはデバイスが出力容量を低信号レベルに引き下げているものはどれも有限抵抗を持っているため、信号線をゼロボルトに切り替えることはできません有限の時間で。（超伝導体を無視する）。そのため、パフォーマンス要件（スイッチング速度対電力要件およびノイズ生成など）を満たす現実的な低電圧スイングが選択されます。

これは、グランドノイズ（ソース回路と宛先回路間で異なるグランドまたは「ゼロ」電圧レベル）、その他のノイズソース、許容範囲などをカバーするために必要なマージンに追加されます。

ここでのいくつかの回答に反して、過去に純粋な0Vの低電圧などが発生したことは間違いありません。リレーロジック！しかし、私たちはそれに戻りたくないと思います！