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３７回］
●オープンドレインＮＡＮＤ回路（４）
前回からの続きです。
下の画像は前回お見せしましたオープンドレインＮＡＮＤ回路の出力波形です。
出力（下側、ＣＨ２）には負荷抵抗としてＲＬ＝１ＫΩをつけました。
出力がＨの期間は２ＳＡ１０１５がＯＮの期間です。
回路図を普通に解釈しますと、それは２ＳＡ１０１５のエミッタベース電流によって入力コンデンサが充電される時間のはずなのですが。
しかし、２ＳＡ１０１５のエミッタベース電流でコンデンサ（２２ｐＦ＋２２ｐＦ＝４４ｐＦ）を充電する時間にしては余りに長すぎます。
コンデンサは瞬間的に充電されてしまうはずなので、すると２ＳＡ１０１５はＯＦＦにならなければならないはずなのに、どういうわけか、しばらくの間ＯＮになったままであるようにしか思えません。
そんなおかしなことがありましょうか。
その疑問を解く鍵は下の画像にありました。
この画像も前回お見せしました。
２ＳＡ１０１５のベース端子部分の波形です。
他の画像に対して垂直軸を拡大してあります（他の画像は垂直軸が２Ｖ／ｄｉｖですが上の画像は１Ｖ／ｄｉｖです。１：１０プローブを使っています）。
ちょうど画面中央が入力がＨからＬに変わってコンデンサが急速に充電されたところで、そこから約２００ｎｓ近くは約４．５Ｖのフラットな状態が続いています。
それからゆるやかにカーブをえがいて電圧が上昇してほぼ水平になったところが＋５Ｖです。
この約４．５Ｖのフラットな期間にＨ出力が出ているようです。
言い換えれば、そのフラットな期間中２ＳＡ１０１５はＯＮであり続けているようです。
この奇妙なベース波形は一体何なのでしょうか？
●少数キャリアの蓄積効果
そういう言葉があることは知っておりましたし、それがバイポーラトランジスタの動作速度を著しく低下させる原因であることもなんとなくわかっていたつもりでありました。
しかしこのところ書いてきておりますように、２ＳＡ１０１５がＯＮになったときの立ち上がりの速度アップにばかり目がいってしまって、ＯＦＦになったときの立ち下りの速度についてはまったく何も考えてはいませんでした。
ＯＮのときの立ち上がりを急にするにはスピードアップコンデンサをつけて一時的にベースに大きい電流を流さなければならない、ということは理解しておりましたのに、ベース電圧をＬからＨにしたらただちにエミッタコレクタ間がＯＦＦになる、と感覚的にそのように思い込んでしまっておりました。
実にうかつな話でありました。
本当はＯＮのときの立ち上がりと同様にＯＦＦのときの遅延も大きいのですが、最初に取り組んだオープンドレインではないコンプリメンタリ型のＮＯＴ回路では、２ＳＡ１０１５がＯＦＦになると同時に２Ｎ７０００がＯＮになるため、２ＳＡ１０１５がＯＦＦになるときの遅延を全く意識しないままできてしまいました。
そのうちに２Ｎ７０００の存在を忘れてしまって、つい２ＳＡ１０１５がＯＦＦになるときにはすぐに出力が遮断されるかのようなイメージができあがってしまっておりました。
なんでもこれはバイポーラトランジスタ（およびダイオード）に特有な現象なのだそうでありまして。
トランジスタがＯＮになると、そのＯＮ時間の間に少数キャリアなるものがベース領域に一定量に達するまでどんどん蓄積されるのだそうであります。
キャリアというからには電荷の運び手ということのようでありまして、ベース電圧をいきなりエミッタと同じ電圧にしてもエミッタコレクタ間はすぐにはＯＦＦにならずに、その少数キャリアが抜けてしまうまで、エミッタコレクタ間に電流が流れ続けるのだそうです。
その少数キャリアを抜くには、ＰＮＰではベース電位をエミッタ電圧を越えて高くする（ＮＰＮではマイナスの電位を与える）ようにするか、できるだけ小さい抵抗をエミッタベース間に入れるようにします。
エミッタベース間の抵抗を通して少数キャリアが抜ける？
おお。
それで合点がいきました。
あの約４．５Ｖでしばらく続いたフラットな期間。
そのときにベースの少数キャリアが１ＫΩの抵抗を通じて抜けていたのでした。
あの奇妙なベース端子部分の波形はそういうことだったのでした。
入力がＨからＬに変化すると２ＳＡ１０１５のエミッタベースを通してコンデンサに急な充電電流が流れて、エミッタコレクタ間がＯＮになります。
コンデンサは急速に充電されて２ＳＡ１０１５がＯＦＦになるベース電圧の約４．５Ｖ近くまで電圧が上昇すると、これは推測なのですが、おそらくコンデンサに充電する電流はそこで一旦止まり、それまでとは逆に１ＫΩの抵抗を通してベース内の少数キャリアが抜ける向きに（１ＫΩを通して＋５Ｖからベース端子に電流が流入する向きに）電流が流れ、それが終るまでベース端子の電圧は４．５Ｖ付近のままになる、と考えられます。
そしてその間、エミッタコレクタ間はＯＮであり続けるため、ＮＡＮＤの出力はＨを維持することになります。
やがて少数キャリアが抜けて、＋５Ｖからベースへの電流がなくなると、今度は＋５Ｖから１ＫΩを通してコンデンサに充電電流が流れはじめます。
この電流は２ＳＡ１０１５のエミッタベース電流よりもずっと小さいため、ベース端子部分の電圧はゆっくりとなめらかに弧をえがいて上昇します。
いやあ、しかし。
そのように理解した今でも、この少数キャリアの蓄積効果なるものは、実にすごいものでありますね。
それはそれとしまして。
［第３４回］で、Ｈ出力の時間がちょっと長いことが気になったため、「コンデンサの値を小さくするとよいかも」と書きましたが、確かにそうすることで少数キャリアの蓄積効果を少なくすることはできそうです。
しかし１入力あたり２２ｐＦというのはだいたい下限のように思いますから、それはあまり良策ではありませんでしょう。
もしこのＨ出力の期間を短くするのでしたらプルアップ抵抗の値をもっと小さくするべきでありましょう。
本日も時間がなくなってしまいました。
次回に続きます。
トランジスタでＣＰＵをつくろう！［第３７回］
２０１５．４．１３ｕｐｌｏａｄ
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