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３９１回］
●４ＭＨｚでＣ＝５６ｐＦが必要になった理由についての考察
前回はＰＣＷＲ回路に５６ｐＦコンデンサを実装することで４ＭＨｚでもＪＭＰ命令が正しく実行されるようになりました。
ＰＣ回路でアドレスのインクリメントやデータを書き込むときに必要になる幅の狭いパルスを作り出すためにＲＣによる遅延回路を使っています。
しかし試作テストの過程でコンデンサがなくても必要な遅延時間が得られることがわかったため、実際にはコンデンサは実装しないでただ抵抗のみ１ＫΩを実装するだけにしました。
ＣＰＵクロックが２ＭＨｚまでならその回路でよかったのですが、４ＭＨｚにするとＰＣＷＲＬがつぶれてしまって出力されません。
その対策としてＰＣ０回路にのみＣに５６ｐＦのセラミックコンデンサを実装してみたところ４ＭＨｚでもＪＭＰ命令が正しく実行されるようになりました。
なぜ２ＭＨｚまでならＣがなくてもよいのに４ＭＨｚでは必要になるのか、そこのところはよくわかりません。
ところで２ＭＨｚ以下でもＣはなくてもよいけれどもＲ＝１ＫΩは必要です。
Ｒも外して後段と直結してしまうと必要な遅延時間は得られません。
そこで考えられるのはトランジスタのベースに入っているスピードアップコンデンサの存在です。
Ｒ＝１ＫΩが無い状態のときにはこのスピードアップコンデンサ（２２ｐＦ）のおかげでトランジスタ回路が高速でＯＮ／ＯＦＦします。
Ｒ＝１ＫΩがあるときはスピードアップコンデンサの利きが悪くなります（Ｒに妨げられるためだと考えられますが結果としてそこで遅延が発生します）。
ということなのですが、その利き具合が４ＭＨｚのときと２ＭＨｚ以下のときとで異なってくるかというと、それもどうもおかしな話だなあと思います。
あれこれ考えてはみたのですけれど、結局のところ理由はよくわからないということになりそうです。
ノイズとかリンギングなどの影響で誤動作するようなときに信号回路に５６ｐＦ程度のコンデンサを入れると誤動作が止まるということを何回か経験しています。
今回もそういうことかもしれません。
原因の解明には至りませんでしたが、この２日ほどあれこれ考察する過程で波形の写真を何枚か撮りました。
結果的には前回の４ＭＨｚ問題に対してはちょっと的外れになってしまいましたが、せっかくオシロで観測して写真まで撮ったのですから後々の参考になるかもしれないということで、記録として残すことにしました。
前回のロジアナの画像をよく見ると４ＭＨｚ＜２ＭＨｚ＜１ＭＨｚの順にＰＲＯＢＥ３のパルス幅が大きくなっていることが確認できます。
ここはＲＣ回路とＮＡＮＤゲートを組み合わせて幅の狭いパルスを出力しているところですから本来は周波数の影響は無いはずです。
ちなみにＲＣ回路の場合Ｔ＝ＲＣという関係式があってこれをＲＣ回路の時定数というようです。
Ｒ＝１ＫΩ、Ｃ＝５６ｐＦの場合時定数Ｔは１ＫΩ＊５６ｐＦの計算を、単位をＳ（秒）、Ω、Ｆ（ファラド）に直して計算して求めます。
計算結果はＴ＝５６ｎｓになります。
これはどういう値かというとＣにＲを介して電圧Ｅがかかったとき、その開始時刻から５６ｎｓ後にＣの両端電圧が０．６３２Ｅになるという値です。
ここには周波数（ｆ）のファクタがありませんから入力周波数が変わってもＴの値は変わらないはずです。
それでもそこに周波数が関係しているらしいということになりますと。
ひとつ考えられることがありました。
周波数が関係するかもしれないというのはこういうことです。
たとえば上記のＲ＝１ＫΩ、Ｃ＝５６ｐＦの場合、時定数Ｔ＝ＲＣ＝５６ｎｓというのは充電開始時から５６ｎｓ後にＲとＣの接点部分の電圧がＶｃｃの６３．２％になるということなのですが、それを越えて１００％Ｖｃｃになるのは充電開始後どれだけ時間が経過したときかという問題です。
いや１００％は無理だとしてもそれに近い値になるのにはある程度の経過時間が必要らしいということは十分に推測できます。
そこでもしＣがほぼ満充電される前にＲに印加されている電圧が反転してしまったならばどうなるだろうか、ということを考えました。
図で説明します。
図は２組に分かれています。
それぞれの上側はＲに入力される波形で下側はＲとＣとの接点部分の波形です。
上の組の入力はＣが十分に充電、放電されるだけの周期があるとします。
それに対して下の組の入力はＣが十分に充放電される前に反転しています。
するとコンデンサＣは十分に充電される前に放電されることになります。
さらに十分に放電する前に再び充電されることになります。
余りわかりやすい図ではありませんが下の組ではおそらくＲとＣの結合部はＧＮＤから浮き上がった波形（同時にＶｃｃよりも低い電圧で反転する波形）になるのではないかと推測しました。
この場合充放電されるＣの値は実際のコンデンサの容量よりも小さくなるはずで、すると時定数ｔの値もそれだけ小さくなるのではないかと思われます。
するとＥの値は充放電の上限電圧−下限電圧になると考えられ、このときの０．６３２Ｅという値も小さい値になると同時にその値に下限電圧を加えた値にＲとＣの接合部の電圧が達したときがｔであるということになるのでは、という推測が成り立ちます。
その上昇カーブが上の組に対してどうなのかということまでは難しくてよくわからないのですが、ＲとＣの接合部が次段のインバータの入力になっていることを考えると、１／２Ｖｃｃに達するまでの時間はおそらく下の組の方が早いのではないかと推測しました。
つまりこの場合遅延時間は一定ではなくて、上よりは下のほうが短くなるということです。
下図の回路で試してみました。
トランジスタ回路はベース電流の影響などもあって今回の測定にはやや難がありますからＨＣＭＯＳＩＣでテストを行ないました。
７４ＨＣ０４ではなくて７４ＨＣＵ０４を使ったことに特別の意味はありません。
たまたま以前別のテストに使うために作ったジャノメ基板に配線した７４ＨＣＵ０４回路がそのまま使えそうでしたのでそれを利用しただけです。
テスト中の写真です。
左側はクロック発生回路ボード（［第６５回］）です。
右側がジャノメ基板に組んだ７４ＨＣＵ０４回路です。
７４ＨＣＵ０４部分を拡大しました。
テストクリップで隠れてしまっていますが白色テストクリップの先に１ＫΩ抵抗の頭が見えています。
その右にあるのが５６ｐＦセラミックコンデンサです。
まずは２ＭＨｚのテストです。
上側（ＣＨ１）が先ほどの回路図のＡ点です。
下側（ＣＨ２）がＣ点です。
ＲＣ回路のために出力が遅延していることがわかります。
同じテストを４ＭＨｚで行ないました。
２ＭＨｚと比べるとわずかですが出力の遅延時間が短いことがわかります。
ＣＨ２の波形が立ち下がったところで両者を比べてみるとわずかですが４ＭＨｚのほうが１０ｎｓほど短いようです。
こちらは２ＭＨｚでのテストです。
ＣＨ１はＡ点でＣＨ２はＢ点です。
２ＭＨｚでは入力パルスのＨＬの期間が必要な充放電期間ぎりぎりという感じです。
ＣＨ２の波形は画面中央の位置（ＣＨ１が立ち上がる位置）でわずかに浮いているように見えます。
ちょっと充放電時間が不足しているかもしれません。
こちらは４ＭＨｚです。
４ＭＨｚではＣＨ２の波形は完全に浮き上がっています。
画面でははっきりはわかりませんが上限もＶｃｃ（５Ｖ）よりは少し低いようです。
Ｂ点での４ＭＨｚと２ＭＨｚの波形の違いがＣ点での遅延時間の差につながっていると考えられます。
参考までに１ＭＨｚでも同じテストをしてみました。
水平時間軸のスケールを２ＭＨｚ、４ＭＨｚと同じにしたため同時にはＣＨ１の半波しか観測できません。
ＣＨ１はＡ点でＣＨ２はＣ点です。
２ＭＨｚよりもわずかですが遅延時間はさらに大きいように見えます。
こちらは残りの半波です。
立ち上がりと立ち下がりで遅延時間にわずかの差があるようです。
こちらは１ＭＨｚでのＡ点とＢ点の波形です。
１ＭＨｚではほぼ満充電に近いように見えます。
残りの半波です。
１ＭＨｚでは放電も十分なようです。
１ＭＨｚでのテストをしてみた結果、Ｒ＝１ＫΩ、Ｃ＝５６ｐＦでは時定数こそわずか５６ｎｓに過ぎませんが５６ｐＦコンデンサがほぼ十分な程度に充放電するには２ＭＨｚ（半波は２５０ｎｓ）でも不足で少なくとも４００ｎｓ程度は必要であることがわかりました。
ここまで書いてきて気が付きました。
前回問題になったクロック４ＭＨｚというのはＣＰＵクロックのことでした。
ＰＣＷＲの回路でＲＣ回路に入力されるクロックはその１／２の２ＭＨｚのＭＣＬＫでした。
つまり。
上の４ＭＨｚのテストは必要のないものだったのでした。
前回問題になったＣＰＵクロック４ＭＨｚに対しては２ＭＨｚのテストが相当します。
ＣＰＵクロック２ＭＨｚに対しては１ＭＨｚのテストが相当します。
まあでもせっかく撮った写真ですから無駄でも的外れでもこのまま残しておくことにいたします。
実はひょっとしたらトランジスタのベースにスピードアップコンデンサとして入っている２２ｐＦが前回の４ＭＨｚ問題に関係しているかもしれないと考えて、上と同じテストをＲ＝１ＫΩ、Ｃ＝２２ｐＦでも行なってみました。
今ではそれも的外れだったと考えていますが、せっかく写真まで撮ったことですから参考までに記録として残すことにしました。
Ｒ＝１ＫΩ、Ｃ＝２２ｐＦ、２ＭＨｚです。
ＣＨ１はＡ点、ＣＨ２はＢ点です。
１ＭＨｚです。
立ち上がりの半波です。
こちらも１ＭＨｚです。
立ち下がりの半波です。
もう一度、クロック２ＭＨｚです。
ＣＨ１はＡ点、ＣＨ２はＣ点です。
３０ｎｓぐらいの遅延です。
７４ＨＣＵ０４の遅延時間も考慮すると時定数Ｔ＝ＲＣ＝２２ｎｓに近い値になっています。
１ＭＨｚの半波です。
遅延時間は２ＭＨｚと大体同じです。
１ＭＨｚの残りの半波です。
こちらも２ＭＨｚと同じ感じです。
トランジスタでＣＰＵをつくろう！［第３９１回］
２０２１．８．２９ｕｐｌｏａｄ
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