Transcript L→Hが極めて遅い

ディジタル回路 第5回
ダイオードとBJTを使った
ディジタル回路
テキスト第3章
情報工学科
天野英晴
ダイオード
• もっとも単純な素子
• I=Is{exp(qV/kT)-1}
A
K
Is: 逆方向飽和電圧（非常に小さい値）
I
q:電子の電荷
ｋ：ボルツマン定数
T:絶対温度
ｋT/q≒ 26(1/mV)
0.6
0.7
V
順方向と逆方向
A
K
p
＋
正孔
n
－
電子
エネルギー障壁(0.65Vくらい）
順方向
＋
電流
逆方向
エネルギー障壁を
越える
＋
ダイオードのスイッチングモデル
I
I
モデル化
0.6
V
0.7
0.6
ON
OFF
電流
電流は流れない
A
K
OFF：AとKは切れている
V
0.7
0.6V
A
K
ON：AとK間にはON電圧が生じる
BJT(Binary Junction Transistor)
いわゆる普通のトランジスタ
スイッチングモデル： BE間はダイオードと考えて良い
VBE<0.6V
BEのダイオードがOFF: トランジスタがOFF
CEは切れたのと同じ
C
L
B
VBE>0.6V
BEのダイオードがON: トランジスタがON
CEはくっついたのと同じ
C
H
H
切れたのと
同じ
E
B
E
L
BJTのON/OFF
H
L
VCC
＋
B
n
＋
ｐ
n
B
n
R
IB
ｐ
n
C
C
IC
E
エネルギー障壁が
越えられない
OFF：BE間はオープン
CE間もオープン
ON：BE間のダイオードがON
エネルギー障壁が突破され
多くの電子がC領域に突入
IC=ｈFE×IB：不飽和
IC=VCC/R:飽和→VC=0
ダイオードAND
Vcc
OFF
ON
Y＝
Vcc
A＝H
B＝H
ON
Y
A＝L
Y
A＝L
０．６V
B＝H
０．６V
B＝L
OFF
OFF
ON
A
B
Y
L
L
０．６V
L
H
０．６V
H
L
０．６V
H
H
Vcc
両方ONでも
０．６Vなことに
注意！
AND?っぽい
ダイオードOR
OFF
A＝L
ON
Y＝0
ON
A＝H
Y A
Y
B＝L
B＝L
B
OFF
OFF
ON
A
B
Y
L
L
０V
L
H
Vcc－０．６V
H
L
Vcc－０．６V
H
H
Vcc－０．６V
両方ONでも
Vcc-０．６Vなことに
注意！
OR?っぽい
例題3.2 （p.64)
H
H
H
L
Vcc=5V
I
OFF
０．６V
ON
２KΩ
H
Y は？
VY=I・R＝（5－0.6）/２R×R
＝2.2V
H
L
OFF
2.2V
OFF
２KΩ
ダイオードだけではディジタルレベルが維持できない！
演習１
• 下の回路をダイオードANDとダイオードORで
構成した。出力は何Vか？
L
L
Vcc=5V
H
I
Vcc=5V
H
２KΩ
L
H
L
２KΩ
BJTで増幅する
L
完全にONになりきらない
０．６V
Diode-Transistor Logic（DTL)
NAND
L
ここが1.8Vにならないと
ONにならない→スレッショルドは１．２V
DTLの問題点
H→Lを
高速にする
には大電流
＝過飽和
H
H
逆方向
なのでこっちには
行けない
L
H
L→Hが極めて遅い
蓄積した
電荷が流れ
出る
まではON
TTL（Transistor-Transistor Logic)
H
H
マルチエミッタ
トランジスタで電荷を
急速放電
2段接続
（ダーリントン）
でパワーアップ
トランジスタの
負荷で高速に
電荷を充電
TTLがL→Hが高速な理由
トランジスタがONに
なって低抵抗で出力電圧を
Hレベルに引き上げる
OFF
→ON
H→L
マルチエミッタトランジスタが
トランジスタとして動作
ONになって電荷を放出
ON
→OFF
TTLの入出力特性
Vout
５V
CMOS
TTL
1.2V
０V
２．５V
Vin
５V
TTLの特性
• 静特性：p.81の7400の規格表より
– Hレベルノイズマージン：VOH-VIH 2.4-2=0.4V
– Lレベルノイズマージン：VIL-VOL 0.8-0.4=0.4V
• 同じ電源電圧ならばCMOSよりも低い
• しかしノイズに弱いとは限らない
– Hレベルファンアウト：IOH/IIH：400μA/40μA=10
– Lレベルファンアウト：IIOL/IIL:16mA/1.6mA=10
• Lレベルの出力時には常に電流が流れる
• Hレベルは漏れだが、出力もあまり強くない
• マイナスは方向なんで気にしない
• 動特性：p.86
– 高速版（F,AS）などはCMOSのACよりも高速
TTLの世代
• 第一世代：74シリーズ、H、Lシリーズ
– 70年代鮮烈なデビューを飾る
– 当時のM-DTLよりも圧倒的に高速
– H（高速版）、L（ローパワー版）が登場
• 第二世代：Sシリーズ、LSシリーズ
– ショットキーバリアダイオードの登場
– マルチエミッタトランジスタの欠点解消
• 第三世代：F,AS、ALSシリーズ
– CMOSを迎撃するため、ローパワー化を進める
– 回路の複雑化（p80の回路を見よ！）
TTLの衰退
• うまく作ればスピードはCMOSに負けない
• 消費電力、実装密度で不利
• プロセス技術の進展が、トランジスタの性能
向上に直接結びつかない
• 80年代後半から本格的な衰退が始まる
• 現在は、歴史的、あるいは実験室でのみ使
われるデバイスとなっている
– CMOSよりタフ
演習２
81ページの規格表から７４AS00 のH,Lレベルノイズ
マージン、H,Lレベルファンアウトを計算せよ