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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

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. A. K. ダイオード. もっとも単純な素子 I=Is{exp(qV/kT)-1} Is: 逆方向飽和電圧(非常に小さい値) q: 電子の電荷 k:ボルツマン定数 T: 絶対温度 k T/q≒ 26(1/mV). I. V. 0.7. 0.6. A. K. 順方向と逆方向. p. n. + 正孔. - 電子. エネルギー障壁 (0.65V くらい). 順方向. 電流. +. 逆方向. +.

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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

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  1. 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

  2. A K ダイオード • もっとも単純な素子 • I=Is{exp(qV/kT)-1} Is: 逆方向飽和電圧(非常に小さい値) q:電子の電荷 k:ボルツマン定数 T:絶対温度 kT/q≒26(1/mV) I V 0.7 0.6

  3. A K 順方向と逆方向 p n + 正孔 - 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

  4. A A K K ダイオードのスイッチングモデル I I モデル化 V V 0.7 0.7 0.6 0.6 ON OFF 電流 電流は流れない 0.6V OFF:AとKは切れている ON:AとK間にはON電圧が生じる

  5. 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 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 L C H C B H B L 切れたのと 同じ E E

  6. BJTのON/OFF H L VCC IB + + B B p p n n n n R C C IC E 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 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

  7. ダイオードAND Vcc OFF ON ON Y= Vcc Y A=H A=L Y A=L 0.6V 0.6V B=H B=H B=L OFF OFF ON 両方ONでも 0.6Vなことに 注意! A B Y L L 0.6V L H 0.6V H L 0.6V AND?っぽい H H Vcc

  8. ダイオードOR OFF ON ON Y=0 A=L A=H A Y Y B=L B=L B OFF OFF ON A B Y 両方ONでも Vcc-0.6Vなことに 注意! L L 0V L H Vcc-0.6V OR?っぽい H L Vcc-0.6V H H Vcc-0.6V

  9. 例題3.2 (p.64) H H H L Vcc=5V I 0.6V 2KΩ OFF ON VY=I・R=(5-0.6)/2R×R      =2.2V Y は? H H L 2.2V OFF 2KΩ OFF ダイオードだけではディジタルレベルが維持できない!

  10. 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 H Vcc=5V Vcc=5V H I 2KΩ L H L 2KΩ

  11. 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

  12. 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 蓄積した 電荷が流れ 出る まではON L H L→Hが極めて遅い

  13. TTL(Transistor-Transistor Logic) H H 2段接続 (ダーリントン) でパワーアップ マルチエミッタ トランジスタで電荷を 急速放電 トランジスタの 負荷で高速に 電荷を充電

  14. 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 ON →OFF 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

  15. TTLの入出力特性 Vout 5V CMOS TTL 1.2V Vin 2.5V 5V 0V

  16. 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-VIH2.4-2=0.4V • Lレベルノイズマージン:VIL-VOL0.8-0.4=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

  17. 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!)

  18. 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

  19. 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

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