TTL回路におけるNOTゲート（インバータ）の理解

単一トランジスタのインバータは説明用としては有用ですが、実際のデジタルロジックに必要な性能を備えていません。実用的なNOTゲートは、高電圧利得を得て出力トランジスタが完全カットオフまたは完全飽和でクリーンに動作するよう、複数のトランジスタを用い、誤った損傷から保護する要素を組み込みます。

実用的なインバータの回路図

以下は、信頼性の高い高利得動作に必要なすべてのコンポーネントを組み込んだ、機能的なTTL NOTゲートの完全な回路図です：

この設計は抵抗、ダイオード、バイポーラ接合トランジスタ（BJT）のみに依存します。フィールド効果トランジスタ（FET）を使用する代替トポロジもNOT演算を実現でき、後で説明します。

NOTゲート回路動作の分析

ハイ入力

まず、入力ロジックレベルがハイ（バイナリ「1」）の場合を考えます。このシナリオは、入力ピンをスイッチを介して電源電圧 Vcc に接続することでモデル化できます：

入力がハイになると、ダイオード D1 は逆バイアスされ、電流を流しません。その唯一の目的は、入力に誤って負電圧が印加された場合にトランジスタを保護することです。

これらの条件下では、トランジスタ Q1 のベース-エミッタ接合は非導通状態です。しかし、Q1 は従来の意味で使用されるのではなく、背中合わせのダイオード対として機能します。以下の簡略化回路図はこの役割を示しています：

Q1 の2つのダイオードは、入力ロジックレベルに応じて電流を Q2 のベースへ向かわせたり、遠ざけたりします。このステアリング作用を理解するため、Q2 と Q4 のベース-エミッタ接合のみを単一ダイオードで表し、その他の回路を取り除いた簡略化回路を想像してください：

入力スイッチが「上」位置（Vcc に接続）にあるとき、左側のステアリングダイオードを通過する電流はありません。電圧ループが電子を駆動しないためです。しかし、右側のステアリングダイオード、Q2 のベース-エミッタダイオード、Q4 のベース-エミッタダイオードを通過する電流は流れます：

これは、実際のインバータでは Q2 と Q4 がベース電流を受け取りオンになり、コレクタ電流が流れることを意味します。2つのステアリングダイオードの接合ノードからグラウンドまでの電圧降下は約2.1V——3つのシリコンPN接合（右ステアリングダイオード、Q2 のベース-エミッタ接合、Q4 のベース-エミッタ接合）の合計です。

ロー入力

入力スイッチを「下」位置に動かし、結果の振る舞いを観察します：

この状態では、すべての電流が Q1 の左ステアリングダイオードを流れ、右側には流れません。右ダイオードと Q4 および Q2 の直列ダイオードを通る完全な経路が存在するように見えますが、左ダイオードの順方向電圧（シリコンで約0.7V）は、他の2つのダイオードの直列列を順バイアスするには不十分で、Q2 と Q4 へのベース電流を防ぎます。結果として、両トランジスタはカットオフ状態のままです。

入力がハイのとき、左ステアリングダイオードは電圧降下を呈せず、右ダイオードが抵抗 R1 を介して Q2 にベース電流を流せます：

十分なベースドライブにより、Q2 が飽和し、R3 を十分に低く引き下げて Q4 のベース-エミッタ接合を順バイアスし、これも飽和します。出力ノードは実質的にグラウンドに短絡され、論理「0」を生成します。ダイオード D2 は Q3 がオンになるのを防ぎ、カットオフ状態を維持します。

ロー入力時の出力分析

逆に、入力がローのとき、電流は Q1 の左ステアリングダイオードを流れ、Q2 と Q4 をオフにします。Q3 のベースに十分な電圧が印加され、そのベース-エミッタ接合が順バイアスされ、飽和駆動されます。出力はハイレベル（負荷と飽和に依存して通常約4V）に上昇し、論理「1」を満たします。したがって、インバータは完璧な論理反転を提供します：「1」入力は「0」出力を、「0」入力は「1」出力を生成します。

回路の観察点

このTTLインバータの注目すべき特徴の1つは、入力がフローティング状態のときにハイロジックレベルをデフォルトとすることです。その場合、左ステアリングダイオードを電流が流れず、R1 のバイアス全体が Q2 のベースに印加され、オンになって出力をローに駆動します：

トランジスタ-トランジスタロジック（TTL）

フローティング時にハイ状態をとるTTLゲートの傾向は、トランジスタ-トランジスタロジックファミリの基本的な特性です。この振る舞いは、特にあるゲートの出力が別のゲートの入力を駆動する場合、ゲート出力の設計を簡素化します。なぜなら、TTL入力はロー状態を示すためにグラウンドへのパスのみを必要とし、ハイ状態を示すためにフローティングのままにできるからです。

電流のソーシングとシンキング

ソーシング電流

TTLゲートは、トーテムポール出力段を通じて電流をソースおよびシンクできます。出力がハイのとき、飽和した Q3 が出力ノードを Vcc に接続し、負荷から Q3 のエミッタを経て電源に戻る電流を流せます：

概念的には、出力をダブルスロースイッチと見なせます：ゲートがハイを出力するとき、スイッチは出力を Vcc に接続；ローを出力するとき、出力をグラウンドに接続します。

シンキング電流

出力がローのとき、Q4 トランジスタが出力をグラウンドに接続し、電源から負荷を経て Q4 のエミッタへ電流を流せます：

これらのデュアル機能——ハイ時にソース、ロー時にシンク——は、幅広いデジタル負荷を駆動するために不可欠です。

TTL動作の要件

TTL入力はシンキング電流のみを受け入れるように設計されており、フローティング時は本質的にハイです。したがって、TTL入力を駆動するゲートは、ロー入力を生成するためにシンキングパスを提供するだけで済みます。これにより、駆動側ゲートが受信側入力に電流をソースする必要がなくなります。

オープンコレクタ出力

TTL入力が電流ソーシングを必要としないため、Q3 を取り除いて出力段を簡素化し、オープンコレクタ構成にできます。出力は外部抵抗でハイにプルアップできます：

オープンコレクタインバータゲートの標準シンボルを以下に示します：

復習

• NOT（インバータ）ゲートは、入力と逆のロジックレベルを出力：ロー入力はハイ出力、ハイ入力はロー出力。
• TTLゲート——抵抗、ダイオード、BJTで構成——は高電圧利得と堅牢な保護を提供。FETベースロジックなどの代替ファミリも利用可能。
• ゲートが「ソース」電流を供給するとき、出力を正電源電圧に接続し、ハイロジックレベルを提供。
• ゲートが「シンク」電流を供給するとき、出力をグラウンドに接続し、ローロジックレベルを提供。
• トーテムポール出力はソースとシンクの両方が可能；オープンコレクタ出力はシンクのみ。オープンコレクタゲートは、TTL入力が電流ソーシングを必要としないため、TTL入力の駆動に適している。

関連ワークシート

• TTL論理ゲートワークシート
• 基本論理ゲートワークシート