トランジスタで８０８０をつくってしまおうというまさにびっくり仰天、狂気のプロジェクトです！
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見事にできましたら、もちろんＴＫ−８０モニタを乗せて、それからＢＡＳＩＣ、ＣＰ／Ｍを走らせましょう！
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［第２３８回］
●シュミットトリガ回路
「トランジスタ技術」５月号の付録基板にはシュミットトリガ回路基板（７４ＨＣ１４の１ゲート相当）が含まれています。
しかし私が今準備中の新トランジスタロジック組立キットでは７４ＨＣ１４相当の回路基板キットは考えていません。
シュミットトリガ回路は通常は外部接点入力のチャタリング防止かまたは上昇下降の勾配がゆるやかな信号入力に使われます。
ＣＰＵのロジック回路では本来は不要なものです。
そう思って「トランジスタ技術」５月号の特集記事をよく読んでみましたら、Ｉ／Ｏ回路で外部入力のところで使っているようです。
おそらくは外部にスイッチをつなぐなどする場合を想定してのことと思います。
なにしろ「トランジスタ技術」の特集ですからトランジスタ回路としてのあれこれを解説するのもひとつの目的かと推察します。
同誌のトランジスタ版シュミットトリガ回路はトランジスタ６石で構成しています。
５ページに渡って説明してありますが、ちょっと理解するのはむつかしいかなあという感じです。
私としてはちょっと読む気にはなりません。
感覚的には多分こういうことだろうなあと理解したつもりです。
本音を言いますと、こんな面倒な回路はいやでございます。
そういうことなので、私としてはトランジスタ版シュミットトリガ回路はやりません、というつもりだったのですけれど。
当記事の読者様といたしましては、ひょっとすると、やっぱりそれもやってほしいなあ、とお思いかもしれません。
そこで思い直して当記事としてもトランジスタ版シュミットトリガ回路について書くことにいたしました。
と言いましても「トランジスタ技術」誌とは切り口が違います。
私としてはトランジスタでＣＰＵを作ることが最終的な目的でありまして（「トランジスタ技術」５月号のコンセプトもそうだと読み取れるのでありますが）、なにがなんでも７４ＨＣシリーズの完全トランジスタ化にこだわる、なんてことは毛頭考えてはおりません。
そこのところはもう少しゆるーく、も少し自由に考えております。
ですので一旦トランジスタ回路から離れて考えてみることにします（そのうち戻ってきます）。
７４ＨＣシリーズで回路を構成する場合、シュミットトリガ回路が必要なところには７４ＨＣ１４を使うのが一般的でありましょう。
７４ＨＣ１４は１個のＩＣのなかに６ゲート入っています。
もしもシュミットトリガ回路が１回路しか必要でないとしたら、これはいかにも勿体無い使い方になります。
そんなときにもしも回路内に７４ＨＣ０４が２ゲート余っていたならば。
そんなときには私なら７４ＨＣ１４を使う代わりにその７４ＨＣ０４を使うことを考えます。
下はＮＤ８０Ｚ３．５のＣＰＵ周りの回路図です。
図中左の真ん中あたりにあるＩＣ７（７４ＨＣＵ０４）が７４ＨＣ０４を使ったシュミットトリガ回路です（ここでは７４ＨＣＵ０４を使っていますがどちらでも同じです）。
この回路はずっと昔のいつのころからか使い始めて今でも使っている回路です。
こんな回路を自分で発明したわけはないので、多分なにかの記事を参考にしたのだろうと思います（おそらくは「トランジスタ技術」）。
それで確認のためにｇｏｏｇｌｅ様で「７４ＨＣ０４ シュミットトリガ」で検索してみたのですが全然出てきません。
みんな７４ＨＣ１４です。
でしょうねえ。
さらに検索したらやっとヒットしました。
あれま。
当プログ風記事のなかで以前にこの私めが書いたものじゃありませんか。
うむむ。
今やこういう回路を使っているのは私だけか。
ちょっと心配になってきました。
本当にこの回路で大丈夫か？
ずっと長い間当然のように使ってきましたので、そんなことなどまともに考えたことはありませんでした。
ということであらためて回路の動作を検証してみました。
下は上の回路からシュミットトリガ回路のみを取り出したものです。
Ｃ１２のコンデンサがありませんが、原理的には不要なものなので省いてあります。
実際の回路ではＨＣ０４が速過ぎてこのような回路でも誤動作することがあるためにつけています。
Ｒ２で出力から入力にゆるいフィードバックをかけています。
Ｒ１の抵抗値はＲ２との抵抗比で決定します。
ここではＲ１：Ｒ２＝１：１０にしています。
さてそれでは回路の動作の説明です。
Ａ点が入力でＣ点が出力です。
Ｂ点は前段のインバータ（ＨＣ０４）の入力ポイントです。
最初に入力がＨレベル（＋５Ｖ）であるところからスタートすることにします。
このときはＡ＝Ｂ＝Ｃ＝５Ｖです。
そこから入力電圧がゆっくり下がってきてＢ点がインバータ（ＨＣ０４）のスレッショルド電圧まで下がってきたときを考えます。
７４ＨＣ０４のスレッショルド電圧は１／２ＶＤＤ＝２．５Ｖです。
さてこのときのＡ点の電圧はいくらでしょう？というのが問題です。
中学校の理科で習う抵抗分圧の問題です。
これは簡単でしょう。
ＡＢ間の電圧：ＢＣ間の電圧＝１：１０
ですからＡＢ間の電圧は０．２５Ｖになります。
問題の答えです。
Ａ点の電圧は２．５Ｖ−０．２５Ｖ＝２．２５Ｖです。
ということはＡ点がはじめに＋５Ｖであったとき、そこから電圧値が徐々に低下して７４ＨＣ０４のスレッショルド電圧の２．５ＶになってもＢ点はまだそれより少し高い電圧なので出力は変化しません。
Ａ点が２．２５Ｖよりも低くなったときに初めてＣ点が０Ｖになります。
するとこの瞬間に回路に劇的な変化が起きます。
Ａ点は２．２５Ｖよりも少し低い値になったという設定ですが計算の都合で２．２５Ｖにします。
Ｃ点は５Ｖから０Ｖに変化します。
するとＡ点とＣ点の中間点ＢはＲ１とＲ２の抵抗分圧によっていきなりなんと２．０５Ｖまで低下してしまいます。
いきなりスイッチが入ってしまったような状態です。
こうなるとこの状態からＣ点がふたたび＋５ＶになるためにはＢ点の電圧が２．０５Ｖから２．５Ｖを越えるところまで上昇する必要があります。
そうなるにはＡ点は現在の２．２５Ｖ以下からかなり高い電圧まで戻らなければなりません。
言い換えれば入力がスレッショルド電圧付近で少しぐらいふらついても一旦入力がスレッショルド電圧をまたぐと、それによって出力が変化したときにはその出力は安定した状態を保つことが期待できます。
その期待を確実にするために今度は逆の場合について考えてみます。
上の状態から考えてもよいのですが、わかりやすくするために今度は入力が０Ｖからゆっくり＋５Ｖに向かって上昇している場合について考えてみます。
スタート時点の電圧はＡ＝Ｂ＝Ｃ＝０Ｖです。
そこから入力電圧がゆっくり上がってきてＢ点がインバータ（ＨＣ０４）のスレッショルド電圧まで上がってきたときを考えます。
７４ＨＣ０４のスレッショルド電圧は上で書きました。
１／２ＶＤＤ＝２．５Ｖです。
さてこのときのＡ点の電圧はいくらでしょう？というのが問題です。
さきほどと同じ考え方で解ける問題です。
ＡＢ間の電圧：ＢＣ間の電圧＝１：１０でした。
ＡＢ間の電圧はさきほどと同じで０．２５Ｖになります。
問題の答えです。
今度はＡ点の電圧は２．５Ｖ＋０．２５Ｖ＝２．７５Ｖになります。
ということはＡ点がはじめに０Ｖであったとき、そこから電圧値が徐々に上昇して７４ＨＣ０４のスレッショルド電圧の２．５ＶになってもＢ点はまだそれより少し低い電圧なので出力は変化しません。
Ａ点が２．７５Ｖよりも高くなったときに初めてＣ点が５Ｖになります。
するとこの瞬間にまたしても回路に劇的な変化が起きます。
Ａ点は２．７５Ｖよりも少し高い値になったという設定ですが計算の都合で２．７５Ｖにします。
Ｃ点は０Ｖから５Ｖに変化します。
するとＡ点とＣ点の中間点ＢはＲ１とＲ２の抵抗分圧によっていきなりなんと２．９５Ｖまで上昇してしまいます。
こうなるとこの状態からＣ点がふたたび０Ｖに戻るためにはＢ点の電圧が２．９５Ｖから２．５Ｖ以下になるところまで下降する必要があります。
そうなるにはＡ点は現在の２．７５Ｖ以上のところからかなり低い電圧まで戻らなければなりません。
以上をまとめます。
入力が２．５Ｖよりも高い電圧から下降する場合には入力が２．２５Ｖ以下まで下がらなければ出力は変化しません。
逆に入力が２．５Ｖよりも低い電圧から上昇する場合には入力が２．７５Ｖ以上まで上がらなければ出力は変化しません。
つまりこの回路は入力が下降する場合と上昇する場合とで異なるしきい値をもつ回路であるといえます。
ということで上の回路はしっかりとシュミットトリガの働きをしていることが確かめられました。
さらに言いますと、上で説明しましたようにそのしきい値を求める計算は中学校の理科で習う程度の計算です。
抵抗比を選べば暗算でもできてしまいます。
さて。
７４ＨＣ０４をトランジスタ化した回路は前回のＴＲ０４です。
それでは上の回路をＴＲ０４で置き換えた場合にもシュミットトリガとして働いてくれるでしょうか？
次回に続きます。
トランジスタでＣＰＵをつくろう！［第２３８回］
２０２０．５．３ｕｐｌｏａｄ
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