特集＊トランジスタで学ぶディジタル回路
第2章

2 入力 NAND を手作りしてディジタル動作を理解する

トランジスタで作る
NAND ゲート回路とその動作
藤平 雄二
Yuji Fujihira

この章では，実際に論理回路をトランジスタで製作します．論理回路を確実に理解するには，実際に製作が流れます．このとき，ダイオード両端の電圧（順方向電圧，以降 V F で表す）がどうなるかが非常に重要してみるのが何といっても一番です．

（ b）に小信号用ダイオード 1S2076A のです．図 2 − 1

なお，今回製作する TTL NAND は，現代ではほとんど使用されていません．しかし TTL NAND を確実

VF の特性を示します．この図から，電流が流れているときは V F が 0.6 〜 0.7 V でほぼ一定であり， V F がに理解しておくと，CMOS などのほかの論理素子を理解するのは容易です．TTL NAND は論理素子の基0.5 V 以下ではほとんど電流が流れないことがわかります．

本だからです．

以降，DTL などの動作を解析するときは，VF 以下の電圧ではダイオードに電流が流れず，また電流が流● DTL と TTLれているときは V F ＝ 0.6 V で一定とします．このよもっとも基本的な NAND に DTL NAND があります．DTL は Diode − Transistor Logic の略で，ダイオうにダイオードの特性を簡単化しても，実際の動作をほぼ正しく解析できます．実際の動作の解析を簡単にードとトランジスタによる論理回路という意味です．
一方，TTL は Transistor − Transistor Logic の略で，するために，このように特性を簡単化して考えることは重要です．

トランジスタとトランジスタによる論理回路という意
味ですが，何とも奇妙な名称です．実は，DTL のダイオードをトランジスタに置き換えて TTL ができて● トランジスタのふるまいいます．そのためにこのような名称になったのです．
TTL は DTL を改良したものです．ですから，TTLすので，ダイオードと同じ電流−電圧特性です．ベース−エミッタ間電圧（VBE）はダイオードの VF に対応しを理解するためには，まず DTL を理解する必要があます．ただし，電流はコレクタ電流なので注意してくります．

ださい．厳密にいうとベース電流とコレクタ電流の合計ですが，ベース電流はコレクタ電流に比べて非常にダイオードとトランジスタの基本動作

トランジスタのベース−エミッタ間もダイオードで小さいので，コレクタ電流だけで考えて十分です．
ダイオードと同様に簡単化して，以降では，VBE が0.6 V 以下ではベース電流とコレクタ電流が流れず，ダイオードは単方向にしか電流を流しません．図（a）のようにアノード（Anode ； A）をプラス，カ2−1

ベース電流とコレクタ電流が流れているときは VBE ＝0.6 V で一定とします．

ソード（Cathode ； K）をマイナスにしたときだけ電流

図 2 − 2 にトランジスタの三つの動作状態を示しま

順方向電流 IF［A］

順方向電流 IF［mA］● ダイオードのふるまい10可変抵抗器
直流電源

AK

順方向電圧
VF ［V］

510.2（a）測定回路

2004 年 9 月号

0.40.60.8
順方向電圧 VF［V］（b）順方向特性

図2−1ダイオードの順方向特性

129

R3R11k10k直流電源
5V

コレクタ電流はゼロ

Vo＝5V

R2

R111k直流電源
5V

330Ω

10kICVo

≒2.5V

1.6k（a）OFF状態

R11kIB
R20.16V

R3I1

直流電源
5V1kIC
IBVo≒0.1V

R2I210k（b）中間状態（能動状態）

R3I1I2（c）ON状態（飽和状態）

図 2 − 2 トランジスタの三つの状態（VBE ＝ 0.6 V，hFE ＝ 100 としたとき）

す．同じ回路構成ですが，抵抗の値によってトランジスタの動作状態が異なります．本当に図のようになるしましたが，これらの値は温度などで変動します．し
たがって実際の増幅器などでは，このままの回路ではか実際に確かめてみましょう．
 OFF 状態［図 2 − 2（a）］

使用できず，負帰還により動作点を安定させた回路が必要です．

ベース電流 IB が流れていないときの R2 の両端電圧は，次のように計算できます．
R2330
5 V×＝5×＝ 0.16 V
R1 ＋ R2
10 × 10 3＋ 330
この値は 0.6 V 以下なので，トランジスタのベース電流 IB が流れません．よって，コレクタ電流 I C は流れません．出力電圧 VO は，

VO ＝ 5 V − R3 IC

 ON 状態［図 2 − 2（c）］
この回路も図（b）と同じくベース電流 IB が流れます．
5 V − VBE

5 − 0.6＝ 0.44 mA
10 × 10 3VBE0.6
I2 ＝＝＝ 0.06 mAR210 × 10 3
IB ＝ 0.44 m − 0.06 m ＝ 0.38 mA

I1 ＝R1＝となります．

で表されます．ここで I C ＝ 0 なので， V O ＝ 5 V となります．この状態が OFF 状態です．

よって，この回路のコレクタ電流 IC は，IC ＝ hFE IB ＝ 100 × 0.38 × 10 − 3 ＝ 38 mA

中間状態［図 2 − 2（b）］
まず，ベース電流 I B が流れていないとしたときのとなります．
ところで，トランジスタのコレクタ−エミッタ間電R2 両端電圧は，先と同様に計算できます．

圧（VCE ）が 0 V のときにコレクタ電流 IC が最大値にな

R21.6
5 V×＝5×＝ 0.63 V
R1 ＋ R211 ＋ 1.6
この値は 0.6 V 以上なので，トランジスタのベース電流 IB が流れます．そこで，次にベース電流 I B を求めます．

りますが，その値は，

I1 ＝5 V − VBE

R1＝5 − 0.6
11 × 10 3＝ 0.4 mA

0.6VBE＝＝ 0.375 mA
R21.6 × 10 3
IB ＝ I1 − I2 ですので，
IB ＝ 0.4 m − 0.375 m ＝ 0.025 mAとなります．
コレクタ電流 IC は，次のように計算できます．
IC ＝ hFE IB ＝ 100 × 0.025 × 10 − 3 ＝ 2.5 mA
ここで hFE は直流電流増幅率であり，ここでは 100 と仮定しています．
VO ＝ 5 V − R3 ICですので，
VO ＝ 5 − 1 × 10 3 × 2.5 × 10 − 3 ＝ 2.5 Vとなります．この値は電源の中間値であり，能動状態です．増幅器などの回路を構成するときのトランジスタの動作状態です．ここでは VBE や hFE を一定と仮定

I2 ＝130

5 V − VCE

5−0＝＝ 5 mA
R31 × 10 3です．すなわち， I C として 38 mA 流せるだけのベース電流が流れているのですが，回路上で I C の最大値が 5 mA に制限されています．このときのトランジス
タの VCE は 0 V 近くになり，VCE（sat）と呼ばれています．sat は saturation（飽和）の略です．たとえば，（IC ＝ 100 mA，IB ＝2SC1815 の VCE（sat）は標準で 0.1 V
10 mA）です．以上の状態が ON 状態です．
＊＊
以上，図 2 − 2 の各状態を実際に確認しました．ディジタル回路では，（a）の OFF 状態と（c）の ON 状態を使用します．

IC ＝DTL NAND ゲートのトランジスタ回路● DTL の NAND ゲートの動作
図2−3（a）に DTL NAND の回路を示します．ここで VCC とありますが，これは図 2 − 2 の回路のように電圧 VCC の直流電源がこのラインと三角形で示されるグラウンド（GND）の間に接続されていることを示し

2004 年 9 月号