あらゆる電子部品は要求される電源電圧、入力電圧、出力電圧の仕様が異なるため、アナログ回路は当然のことながら、デジタル回路においても複数の電源が一つの回路に混在します。

電源仕様の異なるデバイス間でデジタル信号をやりとりする場合、当然のことながら電圧レベルを合わせる必要があります。

電圧レベルを合わせるためには、電圧レベルを変換する回路が必要となります。電圧レベルを変換することを「レベルシフト」と呼びます。

本記事では、デジタル回路のレベルシフトについて、考え方から詳しく説明します！（本記事はやや初心者の方向けです）

👉この記事で分かること

✔️デジタル信号におけるレベルシフトの考え方
✔️レベルシフトの3つの方式　メリットとデメリット
　（「抵抗分圧」、「トランジスタ・FET」、「ロジックIC」）

はじめに

電源や入出力電圧仕様は電子部品によって異なる

マイコン、FPGA、ロジックIC、他、電子部品に供給する電源電圧の要求仕様は部品ごとに大きく異なります。デジタル回路の電源電圧としては、5V、3.3V、1.2V、1.0Vなどが一般的です。

また、デジタル信号の入力電圧、出力電圧に関する仕様も部品に応じて異なります。

入力電圧の仕様としては、入力端子に対する絶対最大定格（これを超えた電圧を印加すると部品が壊れる）および推奨動作定格（これを超えた場合、電気的仕様が保証されない）や、論理判定閾値（ハイレベル、ローレベルの閾値）があります。

（絶対最大定格、推奨動作定格の考え方は下記の記事で詳しく解説しています！）

出力電圧の仕様としては出力電圧範囲（ハイレベル、ローレベルそれぞれ）があります。出力する電圧がHレベルのときは何V〜何V、Lレベルのときは何V〜何V、という範囲で保証されます。

部品によって入出力電圧仕様が異なることは説明しました。

これらの仕様が異なる部品間でデジタル信号をやりとりする（電子回路を構成する）ための「考え方」を以下に説明します。

後段デバイスが破損、誤動作しない範囲で使用するため、前段デバイスのハイレベル出力電圧（V_oH）の最大値が、後段デバイスの入力端子に対する絶対最大定格（V_I）、できれば推奨動作定格（V_I）の最大値を超えないこと。
前段デバイスがハイレベルを出力したとき、後段デバイスが確実にハイレベルと認識できるようにするため、前段デバイスのハイレベル出力電圧（V_oH）の最小値が、後段デバイスのハイレベル判定閾値（V_IH）の最小値を上回ること。

後段デバイスが破損、誤動作しない範囲で使用するため、前段デバイスのローレベル出力電圧（V_oL）の最小値が、後段デバイスの入力端子に対する絶対最大定格（V_I）できれば推奨動作定格（V_I）の最小値を上回ること。
前段デバイスがローレベルを出力したとき、後段デバイスが確実にローレベルと認識できるようにするため、後段デバイスのローレベル出力電圧（V_oL）の最大値が、後段デバイスのローレベル判定閾値（V_IL）の最大値を上回ること。