NOTゲート

前に示したシングルトランジスタインバータ回路は、実際には粗すぎてゲートとして実用化できません。実際のインバータ回路には、電圧ゲインを最大化するための複数のトランジスタ（最終出力トランジスタが完全にカットオフまたは完全に飽和するようにするため）と、偶発的な損傷の可能性を減らすように設計されたその他のコンポーネントが含まれています。

実用的なインバータの概略図

ここに示されているのは、実際のインバータ回路の概略図であり、効率的で信頼性の高い動作に必要なすべてのコンポーネントが含まれています。

この回路は、抵抗、ダイオード、バイポーラトランジスタのみで構成されています。バイポーラの代わりに電界効果トランジスタを使用する設計など、他の回路設計でもNOTゲート機能を実行できることに注意してください（この章の後半で説明します）。

ゲート回路動作分析ではありません

高入力

この回路を分析して、入力が「ハイ」の状態、またはバイナリの「1」状態にあるかどうかを調べてみましょう。これは、V _ccに接続されている入力端子を表示することでシミュレートできます。スイッチを介して：

この場合、ダイオードD ₁ 逆バイアスされるため、電流は流れません。実際、D ₁を持つ唯一の目的は回路内では、ネガティブの場合にトランジスタの損傷を防ぐためのものです。入力に印加される電圧（グランドに対して正ではなく負の電圧）。

トランジスタQ ₁のベースとエミッタの間に電圧がない場合、それを流れる電流も期待できません。しかし、奇妙に思われるかもしれませんが、トランジスタQ ₁ トランジスタの慣例のように使用されていません。実際には、Q ₁ この回路では、ダイオードの背中合わせのペアにすぎないものとして使用されています。次の回路図は、Q ₁の実際の機能を示しています。：

これらのダイオードの目的は、トランジスタQ ₂のベースに電流を「ステアリング」することです。、入力の論理レベルによって異なります。これらの2つのダイオードがどのように電流を「ステアリング」できるかは、最初の検査では正確には明らかではないため、理解するために簡単な例が必要になる場合があります。

トランジスタQ ₂のベース-エミッタ接合を表す次のダイオード/抵抗回路があるとします。およびQ ₄ 単一のダイオードとして、回路の他のすべての部分を取り除き、2つの連続したダイオードを流れる電流に集中できるようにします。

入力スイッチが「上」の位置にある（V _ccに接続されている））、Q ₁の左側のステアリングダイオードに電流が流れないことは明らかです。、スイッチダイオードに電圧がないため-R ₁ -ループを切り替えて、電子が流れるように動機付けます。

ただし、 Q ₁の右側のステアリングダイオードを流れる電流、およびQ ₂を介してのベース-エミッタダイオード接合とQ ₄ のベース-エミッタダイオード接合：

これは、実際のゲート回路では、トランジスタQ ₂ およびQ ₄ ベース電流が流れ、コレクタ電流を流すためにオンになります。

Q ₁のベース間で降下した合計電圧（2つの連続したステアリングダイオードを結合するノード）およびグランドは約2.1ボルトになり、3つのPN接合の合計電圧降下に等しくなります：右側のステアリングダイオード、Q ₂ のベース-エミッタダイオード、およびQ ₄ のベース-エミッタダイオード。

低入力

それでは、入力スイッチを「下」の位置に動かして、何が起こるか見てみましょう。

この回路の電流を測定すると、すべて 電流の一部はQ ₁の左側のステアリングダイオードを通過しますおよびなし右のダイオードを介してそれの。どうしてこれなの？ Q ₄を流れる電流の完全なパスがあるように見えますのダイオード、Q ₂ のダイオード、ペアの右側のダイオード、およびR ₁ 、では、なぜその経路に電流が流れないのでしょうか？

PN接合ダイオードは非常に非線形なデバイスであることに注意してください。PN接合ダイオードに印加される順方向電圧が特定の最小量（シリコンの場合は約0.7ボルト、ゲルマニウムの場合は0.3ボルト）に達するまで、電流を流し始めません。そして、それらが電流を流し始めるとき、それらは実質的に0.7ボルトを超えて低下することはありません。

この回路のスイッチが「下」の位置にあるとき、ステアリングダイオードペアの左側のダイオードは完全に導通しているため、スイッチの両端で約0.7ボルト低下し、それ以上低下しません。

スイッチが「上」の位置にあることを思い出してください（トランジスタQ ₂ およびQ ₄ 導電性）、これらの同じ2つのポイント（Q ₁）の間で約2.1ボルトが降下しました。のベースとグラウンド）、これも最小 3つの直列接続されたシリコンPN接合を導通状態に順方向バイアスするために必要な電圧。

左側のダイオードの順方向電圧降下によって提供される0.7ボルトは、右側のダイオードの直列ストリングQ ₂を電子が流れるには不十分です。のダイオード、およびR ₃ // Q ₄ ダイオード並列サブサーキットであるため、その経路を電子は流れません。どちらのトランジスタQ ₂のベースにも電流が流れていませんまたはQ ₄ 、どちらもコレクタ電流を流すことができません：トランジスタQ ₂ およびQ ₄ 両方ともカットオフの状態になります。

したがって、この回路構成では、Q ₂を100％切り替えることができます。左側のステアリングダイオードを流れる電流を迂回させることにより、ベース電流（したがって、出力の電圧を含む残りのゲート回路を制御します）。

この例のゲート回路の場合、入力はスイッチ（V _ccに接続）によって「ハイ」に保持されます。）、左側のステアリングダイオードを作成します（ゼロ電圧降下）。ただし、右側のステアリングダイオードはQ ₂のベースに電流を流しています。、抵抗R ₁を介して：

ベース電流が供給されると、トランジスタQ ₂ 「オン」になります。具体的には、飽和されます。 R ₁で許可されている十分な電流を超えているためベースを通して。 Q ₂を使用飽和、抵抗R ₃ トランジスタQ ₄のベース-エミッタ接合を順方向にバイアスするのに十分な電圧を降下させます。、したがってそれも飽和させます：

Q ₄を使用飽和すると、出力端子はほぼ直接グランドに短絡され、出力端子はほぼ0ボルトの電圧（グランドを基準に）、またはバイナリの「0」（「ロー」）ロジックレベルのままになります。ダイオードD ₂が存在するため、Q ₃のベース間に十分な電圧がありませんエミッターがオンになるため、カットオフのままになります。

低産業連関分析

ここで、入力スイッチを作動させて入力の論理レベルをバイナリ「0」に反転するとどうなるかを見てみましょう。

これで、Q ₁の左側のステアリングダイオードに電流が流れます。右側のステアリングダイオードには電流が流れません。これにより、Q ₂のベースを流れる電流がなくなります。、したがってオフにします。

Q ₂を使用オフの場合、Q ₄のパスはなくなりますベース電流なので、Q ₄ 同様にカットオフに入ります。 Q ₃ 一方、ベースとグランドの間で十分な電圧降下があり、ベース-エミッタ接合を順方向にバイアスして飽和させ、出力端子電圧を「高」状態に上げます。

実際には、出力電圧は飽和度と負荷電流に応じて約4ボルトになりますが、それでも「高」（1）ロジックレベルと見なされるのに十分な高さです。これで、インバータ回路のシミュレーションが完了します。「1」の入力で「0」の出力が得られ、その逆も同様です。

回路の観察

鋭敏な観察者は、このインバータ回路の入力がフローティングのままになっている場合（どちらのV _ccにも接続されていない場合）、「ハイ」状態になることに気付くでしょう。または地面）。入力端子を未接続のままにすると、Q ₁の左側のステアリングダイオードに電流が流れなくなります。、R ₁をすべて残しますのQ ₂を通過する電流のベース、したがって飽和Q ₂ 回路出力を「ロー」状態に駆動します：

トランジスタ間ロジック（TTL）

このような回路がフローティングのままになっている場合に高い入力状態になる傾向は、 T として知られる、このタイプの設計に基づくすべてのゲート回路で共有される傾向です。 ransistor-to- T ransistor L ogic、または TTL 。この特性は、ゲートの出力の設計を簡素化する際に利用できます。回路は、ゲートの出力が通常、他のゲートの入力を駆動することを知っています。

TTLゲート回路の入力がフローティング時にハイ状態になる場合、TTL入力を駆動するゲートの出力は、ロー状態の場合はグランドへのパスを提供し、ハイ状態の場合はフローティングにするだけで済みます。この概念を完全に理解するには、さらに詳しく説明する必要があるかもしれないので、ここで詳しく説明します。

ソーシングおよびシンキング電流

ソーシング電流

分析したばかりのゲート回路には、入力と出力の2つの方向の出力電流を処理する機能があります。技術的には、これはソーシングとして知られています。および沈むそれぞれ電流。ゲート出力が高い場合、出力端子からV _ccへの導通があります。上部の出力トランジスタを介して（Q ₃ ）、電子がグランドから負荷を通り、ゲートの出力端子に流れ、Q ₃のエミッタを通ります。、そして最終的にはV _ccまで電源端子（DC電源のプラス側）：

この概念を単純化するために、ゲート回路の出力を双投スイッチとして示し、出力端子をV _ccに接続することができます。またはその状態に応じて、地面。「高」論理レベルを出力するゲートの場合、Q ₃の組み合わせ飽和およびQ ₄ カットオフは、「V _cc」の双投スイッチに類似しています。」位置、接地された負荷を流れる電流の経路を提供します：

ゲート記号の内側に示されているこの2位置スイッチは、トランジスタQ ₃を表していることに注意してください。およびQ ₄ 出力端子をV _ccに交互に接続しますまたは地面、ゲートに入力信号を送信する前に示したスイッチの！

沈下電流

逆に、ゲート回路が負荷に「低」論理レベルを出力している場合、それは「接地」位置に設定されている双投スイッチに類似しています。負荷抵抗がV _ccに接続されている場合、電流は逆方向に流れます。：グランドから、Q ₄のエミッタを介して、出力端子を出て、負荷抵抗を通り、V _ccに戻ります。。この状態では、ゲートは沈んでいると言われています現在：

TTL動作の要件

Q ₃の組み合わせおよびQ ₄ 「プッシュプル」トランジスタペアとして機能します（別名、トーテムポール出力 ）電流をソースする（V _ccに電流を引き込む）機能があります）または負荷へのシンク電流（グランドからの出力電流）。ただし、標準のTTLゲート入力電流を供給する必要はなく、沈むだけです。つまり、TTLゲート入力はフローティングのままにすると自然にハイ状態になるため、TTL入力を駆動するゲート出力は「0」または「ロー」入力を提供するためにシンク電流のみを必要とし、「1」を提供するためにソース電流を必要としません。」または受信ゲートの入力での「高」論理レベル：

オープンコレクター出力

これは、Q ₃を排除するために、ゲート回路の出力段を単純化するオプションがあることを意味します。完全に。その結果は、オープンコレクター出力として知られています。：

標準ゲートシンボル内のオープンコレクタ出力回路を指定するために、特別なマーカーが使用されます。ここに示されているのは、オープンコレクタ出力を備えたインバータゲートの記号です。

フローティングゲート入力の「高」デフォルト条件はTTL回路にのみ当てはまり、他のタイプ、特に電界効果トランジスタで構成された論理ゲートには必ずしも当てはまらないことに注意してください。

レビュー

インバーター、またはNOTゲートは、入力されたものとは反対の状態を出力するゲートです。つまり、「低」入力（0）は「高」出力（1）を提供し、その逆も同様です。
このセクションに示すように、抵抗、ダイオード、およびバイポーラトランジスタで構成されるゲート回路は TTL と呼ばれます。。 TTLは、 Transistor-to-Transistor Logic の頭字語です。。ゲート回路で使用される他の設計手法があり、バイポーラトランジスタではなく電界効果トランジスタを使用するものもあります。
ゲートはソーシングと言われています出力端子とDC電源のプラス側（V _cc）の間に電流の経路を提供するときの電流）。つまり、出力端子を電源に接続しています。（+ V）。
ゲートは沈んでいると言われています出力端子とグランド間の電流経路を提供する場合の電流。つまり、出力端子を接地（沈下）させているのです。
トーテムポールを備えたゲート回路出力ステージは、両方のソースを実行できます。およびシンク 現在。 オープンコレクターを備えたゲート回路出力段は電流をシンクすることしかできず、ソース電流をシンクすることはできません。オープンコレクタゲートは、TTL入力に電流を供給する必要がないため、TTLゲート入力を駆動するために使用すると実用的です。