(ホントは７４ＨＣ、ＣＭＯＳなんだけど…）
［第１２７回］
●ＲＣ発振回路の動作の説明（その２）です
前回は、７４ＨＣ０４を使ったＲＣ発振回路の動作について、説明をしました。
その説明の中で、「Ｒ１には電気は流れない（はず）」と書きました。
でも「実はしっかり流れてしまいます」とも書きました。
確かに、Ｒ１の一方の端はＣＭＯＳゲートの入力側につながっているだけなので、Ｒ１には電気は流れないはずです。
ＣＭＯＳゲートは電圧で動作し、電流は必要ありません。当然その入力端子は、ハイインピーダンスです。
前回、コンデンサＣ１の両端の波形の写真をお見せしました。
上の回路図の（Ａ）点と（Ｂ）点の波形です。
もし教科書通りに、Ｒ１に電気が流れないのならば、Ｒ１の両端、つまり（Ｂ）点と（Ｄ）点の波形は同じはずです。
●ＣＭＯＳゲートの入力端子に電気は流れないはずだった、のですが…
写真の上は、インバータの入力１ｐｉｎ、（Ｄ）点の波形で、下はインバータの出力２ｐｉｎ、（Ｃ）点の波形です。
（Ｃ）点の波形がなまっていますね。
これは入力信号がスレッショルド近くをゆっくりと通過しているためです。入力がスレッショルド近くの場合には、出力は不安定な値になります。
問題は上の、（Ｄ）点の波形です。
前回の（Ｂ）点の写真とは、どうも様子が異なっています。
前回の説明では、（Ｂ）点の波形の振幅は、−２．５Ｖ〜＋７．５Ｖである、と書きました。
写真ではマイナス側は切れていて確認はできませんが、プラス側は確かに、＋７．５Ｖまでありました。
しかし、今回の（Ｄ）点の写真は、−０．５Ｖ〜＋５．５Ｖ程度しかないように見えます。
波形の上の端と下の端で、何かがおきているようです。
何がおきているのでしょうか？
その答えよりも前に。
そもそも前回から説明している、このＲＣ発振回路で発生する、−２．５Ｖとか、＋７．５Ｖとかという電圧について、「大丈夫かなあ」と、思いませんでしたか？
ＣＭＯＳゲートでは、「０Ｖ〜Ｖｃｃの範囲を越える電圧を入力に加えてはならない」と、技術書などで読んだように思います。
「ＣＭＯＳゲートの入力端子に電源電圧範囲を越える電圧を加えると、それがトリガとなって、ＩＣ内部のトランジスタが導通状態になり、過電流が流れて、最悪の場合はＩＣが焼損してしまう」と書いてあったように記憶しています（こういう現象をラッチアップというのだそうです）。
…それって、めっちゃ、やばいんじゃないの。
やばい、です。
●クランプダイオード
今回の発振回路のように、必然的に０Ｖ〜Ｖｃｃの範囲を越える電圧が発生してしまうというのではなくても、ノイズなどでその範囲を越える電圧がＣＭＯＳの入力ゲートに加わってしまう可能性は十分過ぎるほどあります。
そのたびにラッチアップが発生してＩＣが燃えたり、割れたりしたんじゃ危なくって使えたものではありません。
当然、ＩＣメーカーも対策を考えているはずです。
下の図は、一般的な７４ＨＣシリーズの入力ゲートの構造を簡単に示したものです。
入力回路には保護ダイオードが入っていて、０Ｖ〜Ｖｃｃの範囲を越える電圧がＩＣ内部に加わらないしくみになっています。
この保護ダイオードのことを「クランプダイオード」といいます。
なお、今回はゲートの「入力」が問題なので、入力端子についての説明をしましたが、このクランプダイオードは入力回路だけではなくて、出力回路にも入れられています。
さて、これで、やっと疑問が解決しました。
そうです。
（Ｂ）点の波形と（Ｄ）点の波形が異なっていたわけは、このクランプダイオードの働きだったのです。
ＣＭＯＳゲートの入力端子には、普通は電流は流れないのですが、Ｖｃｃ（＋５Ｖ）＋クランプダイオードの電圧〜＋７．５Ｖの間と、０Ｖ−クランプダイオードのＯＮ電圧〜−２．５Ｖの間は、クランプダイオードがＯＮになるために、電流が流れていたのです。
●それなら、安心だ…
ではない、と思います。
保護ダイオードは万能ではありません。
当然のことながら、限界というものがあります。
ＴＴＬやＣＭＯＳのＩＣなどでは、超えてはならない限界のことを、「絶対最大定格」といいます。
たとえ、わずかでも、この限界を超えると、ＩＣが破損してしまうかもしれない、という非常に恐ろしい定格です。
ただの「最大」ではなくて、「絶対」がついているところが、恐ろしいです。
●７４ＨＣシリーズの「絶対最大定格」
下はＴＩ社のＳＮ７４ＨＣ０４のデータシートです。
”ａｂｓｏｌｕｔｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｒａｔｉｎｇｓ”と書いてあります。いかにも、コワそうですね。
これを見ると、Ｓｕｐｐｌｙ ｖｏｌｔａｇｅ（供給電圧）は、−０．５Ｖ〜＋７Ｖになっています。電源電圧はこれを超えてはいけない、ということです。
そして、赤のアンダーラインで示した項目が、クランプダイオードの許容電流（クランプ電流）です。±２０ｍＡになっています。
念のため、別のメーカーについても見てみましょう。
下は東芝のＴＤ７４ＨＣ０４のデータシートです。
同じ値になっています。
２０ｍＡというのは、かなり大きな値のようにも思えますが、さてどうでしょうか？
コンデンサの充・放電電流というのは、かなり強烈なものです。
たとえクランプダイオードがあるとしても、コンデンサを直接ＣＭＯＳゲートの入力端子に接続するのは、ちょいと危険だと思います。
前回および今回の回路図で、インバータの入力端子（１ｐｉｎ）とコンデンサの間にＲ１が入っているのは、コンデンサの放電電流が急激にクランプダイオードに流れないようにするための、電流制限抵抗です。
ＲＣ発振回路として下のような回路図を見ることがあります。
この回路では、コンデンサの放電電流（電圧）がモロにＣＭＯＳゲートの入力端子を直撃します。
容量の小さいコンデンサならば、パワーもたかだか知れていますから、クランプダイオードで楽に吸収できると思いますが、低い周波数での発振をしようとすると、どうしてもＲＣの値を大きくしなくてはいけません。
しかし、図のような回路で、Ｃに容量の大きい電解コンデンサを使うなどというのは、とてもコワーいことだと思います。
たかだか抵抗を一本追加するだけで、気が休まるわけですから、ここはぜひとも保護抵抗を入れておきたいものです。
●でも、参考までに…。なにごとも実験です
保護抵抗Ｒ１を入れない回路で、その波形がどうなるかも試してみました。Ｒ１がありませんから（Ｂ）点が直接、インバータの１ｐｉｎにつながります。
前回の写真と同じで、コンデンサの両端の波形です。写真の上が後段のインバータの出力側で、下が前段のインバータの入力側です。
インバータの入力側の波形は、保護抵抗による緩衝効果がないだけ、変化が急激です。
＋５．５Ｖをこえる部分と−０．５Ｖを下回る部分は一瞬で終わってしまい、エッジがシャープになっています。
Ｒが無いため、コンデンサの放電電流が一瞬のうちにクランプダイオードを通過してしまったためです（おお、コワー…）。
なお、５Ｖ（０Ｖ）ではなくて約＋５．５Ｖ（約−０．５Ｖ）なのは、クランプダイオードのＯＮ電圧が０．５〜０．７Ｖ程度必要だからです。
保護抵抗がある場合も、取ってしまった場合も、Ｒ２＝１００ＫΩ、Ｃ１＝０．０１μＦです。
ついでですが、クランプダイオードの影響が無いと仮定した場合、発振周波数はｆ＝１／（２．２ＲＣ）で求められます（のだそうです）。
周期は２．２ＲＣです。
今回の回路はＲ＝１００ＫΩ、Ｃ＝０．０１μＦですから、周期は２．２×１００×０．０１＝２．２ｍＳになります。
周波数は１／０．００２２＝４５５Ｈｚです。
実測では、保護抵抗（Ｒ２）がある場合の周期は約２．５ｍＳ（４００Ｈｚ）でした。
Ｒ２なしにすると、クランプダイオードの影響がモロに出て、約１．８ｍＳ（５５５Ｈｚ）になってしまいました。
２００８．１２．１７ｕｐｌｏａｄ
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