レベルシフター・とは？初心者にもわかる基本と使い方ガイド共起語・同意語・対義語も併せて解説！

この記事を書いた人

高岡智則

年齢：33歳性別：男性職業：Webディレクター（兼ライティング・SNS運用担当）居住地：東京都杉並区・永福町の1LDKマンション出身地：神奈川県川崎市身長：176cm 体系：細身〜普通（最近ちょっとお腹が気になる）血液型：A型誕生日：1992年11月20日最終学歴：明治大学・情報コミュニケーション学部卒通勤：京王井の頭線で渋谷まで（通勤20分）家族構成：一人暮らし、実家には両親と2歳下の妹恋愛事情：独身。彼女は2年いない（本人は「忙しいだけ」と言い張る）

レベルシフターとは

レベルシフターとは、電気信号のレベルを別の信号レベルに変換する小さな回路のことです。主にマイコンやセンサー、表示素子などが異なる動作電圧で動くときに使われます。例えば3.3Vのマイコンと5Vのデバイスを直接つなぐと誤動作が起こる可能性があり、レベルシフターを中間に置いて信号を安全に伝える役割をします。

この仕組みは難しく見えますが、実は身近な電子工作の基本のひとつです。信号の電圧レベルをそろえることで、デバイス同士が「話している言葉」を共有できるようになります。

どういう場面で使うのか

代表的な場面は次のとおりです。3.3Vと5Vの機器をつなぐとき、I2CやUARTなどのデジタル通信を安全に行うために使います。

主な種類としくみ

レベルシフターにはいくつかのタイプがあります。最も基本的なものは「うすく分岐させるだけ」で時には適用できますが、信号の速さや方向性を考えると、双方向型のものやMOSFETやICを使うタイプが多く使われます。双方向型は信号がどちらの方向にも流れることを許します。MOSFETベースの回路は少ない部品で実現でき、低消費電力が特徴です。

使い方の例

3.3Vのマイコンを5Vのセンサーにつなぐ場合を想定します。まずセンサー側の信号線をレベルシフターに通し、出力側をマイコンの入力に接続します。回路の電源は双方の機器の電源に合わせて用意します。回路を組むときは必ず電圧レンジの許容値と最大電流を確認し、過負荷にならないようにします。

項目	説明
用途	異なる電圧の機器を安全につなぐ
入力電圧	接続元機器の動作電圧の範囲
出力電圧	接続先機器の動作電圧に合わせる
利点	誤動作を防ぎ回路を壊さない
注意点	信号の速さや負荷に注意必要に応じて分圧や保護回路を追加

確認とテストのポイント

実際に回路を組んだら、測定器を使って信号の波形や電圧を確認します。テスト用のLEDを直列接続するなど、視覚的な確認も有効です。

まとめ

レベルシフターは異なる電圧の機器同士を安全につなぐための基本道具です。使い方を間違えると信号がうまく伝わらず誤動作や部品の故障につながります。この記事のポイントを覚えておけば、デジタル回路の接続作業がぐんと楽になります。

レベルシフターの同意語

レベルシフター: 異なる電源電圧を使う回路間でデジタル信号の電圧レベルを変換する回路・デバイス。3.3V系と5V系など、論理レベルの互換性を確保する用途で使われます。
電圧レベルシフタ: レベルシフターの別称。電圧レベルを変換する役割を持つ回路・ICの総称です。
レベル変換回路: 信号の電圧を上げ下げして、接続先の論理レベルに合わせるための回路。デジタル信号の互換性を作るのが目的です。
レベル変換IC: レベル変換を目的とした集積回路（IC）。内部にトランジスタやMOSFET、抵抗などを組み合わせて信号を適合させます。
ロジックレベル変換回路: デジタル信号のロジックレベル（例：3.3V／5V）を変換する回路。ロジック信号の互換性を確保します。
ロジックレベルシフタ: ロジック信号の電圧レベルを別の論理レベルへ変換するデバイス・回路です。
電圧レベル変換器: 電圧レベルを別の基準電圧へ変換する機構を持つデバイス。小型のICや部品として提供されます。
電圧レベル変換素子: レベル変換を行う部品・素子。MOSFETやトランジスタなど、信号のレベル変換に使われる部品を指します。
信号レベル変換回路: 信号の電圧レベルを受け手の閾値・入力範囲に適合させる回路。
レベル適合回路: 異なる電源レベルの機器を接続する際に、信号を適切なレベルに整える回路。接続性の確保が目的です。
レベルマッチング回路: 信号の電圧範囲を相手機器の入力範囲に合わせて揃える回路。互換性を高める役割を果たします。
電圧適合デバイス: 電圧レベルを適合させるためのデバイス。用途はレベル変換とほぼ同義で使われます。

レベルシフターの対義語・反対語

レベル保持: 入力と出力のレベルを変換せずにそのまま保持する機能・状態を指します。レベルシフターが行う“変換”の逆で、信号のレベルを変えないことを意味します。
レベル不変: レベルが変化しない性質・状態を指します。レベルシフターの対極として、信号の電圧を一定に保つイメージです。
レベルパススルー: 信号がレベルを変換されずにそのまま伝送される回路・動作を指します。レベルを“通過させる”だけで、変換を行いません。
直接接続: 二つの回路をレベル変換なしに直結すること。レベルシフターを用いず、直接的に電圧を渡す状態です。
レベル整合: 異なる部分の信号レベルを揃えること。レベルを変換せず、適切なレベルで匹敵させるという意味合いが対になる操作に近いです。
レベル固定: 信号レベルを一定に保ち、変化させない状態を指します。レベルシフターが行う“変換”の反対として、固定・安定を重視します。

レベルシフターの共起語

電圧レベル: デジタル信号の高低を表す電圧値のこと。レベルシフターはこの値を別の電圧域へ変換します。
ロジックレベル: デジタル回路で有効と判断される電圧範囲のこと。レベルシフターはこの閾値を跨いで信号を伝達します。
入力電圧: レベルシフターの入力端子にかかる電圧。低電圧側や高電圧側のどちらかが対象になることが多いです。
出力電圧: レベルシフターの出力端子から出る電圧。目的の相手回路の電圧レベルに合わせます。
高電圧側: 信号が高い電圧域で処理される側。相手側の高電圧を扱うことを指します。
低電圧側: 信号が低い電圧域で処理される側。マイコンや低電圧デバイス側などがこれに該当します。
VIH: 入力が高レベルとみなされる最小電圧。閾値として使われます。
VIL: 入力が低レベルとみなされる最大電圧。閾値として使われます。
Vcc: 回路の電源電圧。レベルシフターの動作電源として用いられます。
供給電圧: デバイスへ供給される電圧のこと。レベルシフターでは高低のどちらの供給電圧かを区別します。
単方向: 信号を一方向のみ変換するタイプ。片方向のレベル変換を行います。
双方向: 信号を双方の方向で変換できるタイプ。通信の自在性が高いです。
絶縁型: 入力と出力間に電気的絶縁を設けるタイプ。ノイズ耐性や安全性が高いです。
非絶縁型: 入力と出力の間に絶縁を設けないタイプ。小型・低コストな場合に選ばれます。
フォトカプラ: 光を介して絶縁を実現する部品。絶縁型レベルシフターの代表例です。
オプトカプラ: フォトカプラと同義で、光で信号を絶縁伝送します。
MOSFET: 金属酸化膜半導体場効果トランジスタ。レベルシフターの駆動素子として使われることがあります。
バッファ: 信号を増幅せずに駆動能力を高める回路要素。レベル変換と併用されることがあります。
トランシーバ: 信号の送受信を行うデバイス。レベルシフターと組み合わせて使われます。
I2C: 二線式の低速シリアル通信規格。レベルシフターが必須となる場面が多いです。
SPI: Serial Peripheral Interface。高速なシリアル通信規格で、レベルシフターの適用対象になることがあります。
UART: Universal Asynchronous Receiver-Transmitter。非同期通信の代表で、電圧レベルの互換性が重要です。
TTL: Transistor-Transistor Logic。古典的なロジックファミリの一つで、レベル変換の要件が出やすいです。
CMOS: Complementary Metal-Oxide-Semiconductor。現代の論理回路の代表的技術で、レベルシフターの対象となることが多いです。
ロジックファミリ: TTLやCMOSなど、論理回路の系列や規格の総称。レベルシフターはファミリ間の電圧互換を担います。
信号線: 信号を運ぶ導線のこと。レベルシフターはこの線上の電圧を適切に変換します。

レベルシフターの関連用語

レベルシフター: 異なる電圧ドメイン間で信号の電圧レベルを変換する回路やICの総称。3.3V↔5Vなどの互換性を確保するために使います。
電圧レベル変換: ある信号を別の電源電圧域へ適合させる設計手法全般。レベルシフターはこの目的を実現する手段の一つです。
論理レベル: デジタル信号が表す論理状態を決定する電圧の範囲。Vil/Vih、Voh/Volといった閾値で定義されます。
単方向レベルシフター: 片方向にのみ電圧を変換するタイプ。通常は一方のドメインから他方へのみ信号を伝達します。
双方向レベルシフター: 信号の往復両方向を同時に変換できるタイプ。I2Cなどの双方向通信でよく使われます。
I2Cレベルシフター: I2CバスのSDA/SCLを異なる電圧ドメイン間で安全に伝送するための専用回路やIC。
MOSFETベースレベルシフター: NチャネルMOSFETとプルアップ抵抗を用い、低電圧側と高電圧側の信号を双方向で変換する代表的方式。
BSS138レベルシフター: BSS138などの小信号MOSFETを用いた、実装が簡便な双方向レベルシフターのよく用いられる実装例。
TXB0108: 8ビットの自動方向性レベルシフターIC。Push-pull信号にも対応しますが用途に応じた注意点があります。
TXS0108E: 8ビットの自動方向性レベルシフターIC。高い帯域での使用が可能ですが負荷条件を確認する必要があります。
プルアップ抵抗: ラインをデフォルトで高電位に引き上げる抵抗。オープンドレイン/オープンコレクタ構成で重要な要素です。
オープンドレイン / オープンコレクタ: 出力が外部トランジスタなどによって引き上げられる構成。複数機器で1本の線を共有する際に使われます。
電源電圧ドメイン (VCCA / VCCB): レベル変換の両端で使われる電源電圧。通常 VCCA が片側、VCCB が反対側を指します。
共通グランド: 変換対象の両側回路が同じ基準電位を共有する前提。正しく動作させるためには必須です。
閾値 Vil / Vih / Vol / Voh: 入力低/高閾値（Vil/Vih）と出力低/高電圧（Vol/Voh）の目安。信号が「低・高」と判定される基準です。
伝搬遅延 / 上昇時間 / 下降時間: 信号がレベルシフターを通過して変化するまでの時間指標。速度性能の重要な指標です。
信号整合性: レベル変換後も波形が乱れず、データが正しく伝わる状態を保つ性質。
最大周波数 / 帯域: レベルシフターが安定して動作する信号の最大周波数や帯域幅の目安。
寄生容量: 内部配線やデバイスの寄生容量が信号の立ち上がり/下降時間に影響を与える要因。
デジタルアイソレータ: デジタル信号の電気的絶縁を保ちながらレベル変換を行うデバイス。安全性やノイズ対策で用いられます。
電気的絶縁: 異なる回路間で基準電位を分離しつつ信号を伝える技術。レベル変換と併用されることもあります。