トランジスタの出力をロジック回路へ入力したい

質問

みなさまこんばんわです。よろしくお願い申し上げます。

さて、現在私は、VDD＝+5VのCMOSロジック回路を設計しています。

で、その論理の条件の入力として、別の回路からの出力を利用したいのです。GNDが共通なので、そのまま入力できそうなのですが、その出力はH＝+3V、L＝0Vなんです。

入力先は4001UBですが、まあスレッショルド電圧的に、+3VもあればHだと認識してくれたんですけど、ちょっと気持ち悪いので（閾値付近で発振したら大変なことになるし、これ以上ICを追加できないので、シュミットトリガ付きのゲートも使えない）、トランジスタによるスイッチングでレベルを合わせようと思ったのです。で、考えたのが、添付画像の図1です。

ゲートが余ってないので、インバーターも追加できないため、正負が逆転してもらったら困るんです。本来は、エミッタを接地し、コレクタ→VDD間にRを入れるんですけど、それだと、Rがプルアップ抵抗になり、正負逆転してしまうので、これを避けた結果です。

ところが、これだと、出力は、Hレベルでも1.8Vくらいしかなく、NOR入力は、Hと判断してくれません。

そこで考えたのが図2。PNPを使ってみましたが、やはりこれも、正論理にするためにイレギュラーな感じになってます。これもHレベルの電圧は、2.8Vくらいしかなく、じゃあそのまま入力しろよ！ってな感じになってしまいました。。。

ゲートが余ってないので負論理にできない、ICを追加する基板スペースがない、Inputに並列にもう１個トランジスタを追加してLEDをドライブする必要がある、Inputの+3Vはあまり電流を流せないなどの条件があり、このようになってますが、どうも納得がいきません。。。原理的には、図1だと、ベースに電圧がかかると、コレクタからエミッタに電流が流れるので、スイッチングとしてNPNを使う場合、VDDとエミッタの間に抵抗値はなくなってVDDと同じ値になるはずとか思ってたんですけど。。。。

同じ回路で、フォトカプラを使う場面も出てきます。ここも全く同じ正論理の動作を求められるので、ここで解決をしておきたいんです。何とかシュミットトリガなしのゲートに安定してHレベルを入力できるくらいにまでレベルをVDDに合わせたいんです。

どうすればいいでしょうか。ご教授いただければ幸いです。よろしくお願い申し上げます。

回答No.5

tance · ベストアンサー

0～3.3Vの論理レベルを、論理反転せずに、トランジスタひとつ追加
くらいで、0～5V論理レベルに変換したい、ということですね。

だったら添付の図の回路でできます。

この回路の動作原理は：
入力が"H"のとき、トランジスタのベース電圧がR2とR3で分圧されて
2.5Vになっているので、入力の3.3Vより低く、トランジスタはOFFです。
OFFということは出力はR1でプルアップされた５Vが出ます。

入力が"L"のとき、トランジスタにはベース電流が流れ、コレクタ
電流も流れます。コレクタ電流が約0.32mAを超えるとコレクタ電圧が
エミッタ電圧に接近し、十分なVCEが得られなくなるので、電流増幅
率が落ちて、エミッタから見たトランジスタの内部抵抗が急増します。
そうすると、信号源の"L"の力でエミッタ電圧はほぼ０Vにまで落ちます。
信号源にとってみると、負荷はR1の10kΩとR2,R3の100kΩだけです。
この程度の負荷（プルアップ）は十分駆動できるはずですので、
エミッタ電圧が０Vで、トランジスタはONですからコレクタ電圧も０V
つまり"L"です。

信号のスピードが速いときは抵抗値を低めにしたり、R2,R3交点に
パスコンが必要かもしれません。

最近はワンゲートなどいう名称で１個入りのゲートICなどが売られて
いるのでトランジスタと抵抗で組むより小さくできるかもしれません。
そちらの方向も考慮された方が良いと思います。

お礼

ご回答を賜り、ありがとうございます！！

そして、添付いただいた回路を一見して、何のことかさっぱりわかりませんでした。エミッタは電流が流れる側でしょ？　普通接地するよねえ？　ここに入力を繋ぐ？　電流が逆流しない？　と。。。

しかし、説明を拝見して・・・声を上げて驚いてしまいました。すごいです。すごすぎです。トリックのような回路です！！！

とんでもないトリックを拝見して、ちょっと適切なコメントが思いつかないくらい感心しているところです（笑）。スレッショルド電圧をGNDとVDDの分圧で作るとか、入力との電位差でスイッチングするとか・・・・感心しすぎて興奮気味です（笑）。

これはすごいです。ぜひ今回制作中の回路に使わせてください！

完全な答えを得ることが出来、本当に感謝しております。本当にありがとうございました！！！

回答No.6

electron11

4000シリーズは３０％７０％で規定されてますから５Vですと１,5V以下＆3,5V以上となるのは御存知の通り

＃５さんのと同じ原理で駆動側でLow時にどの位電流を引き込めるかが決めてになります　引き込めない場合は使えません
これで抵抗値の下限が決まります

電源５Vから抵抗をプルダウンしSiダイオードのアノードに接続しC-MOSへ　そしてカソードを入力端子とします

流れる電流によってSiダイオードの順電圧が変わりますので２個必要かも知れません
且つ温度係数 約2,5mＶ/℃も考慮　大き過ぎますと１,5V以下になりませんし余裕も見なければなりませんので注意要　１V以下が必要
尚C-MOS入力端子に直列抵抗は不要です　ご参考に

お礼

ご回答を賜り、ありがとうございます！

つまり、ダイオードを使い、トランジスタは使わないという、新しいご意見ですよね。非常に興味があります。

回路図を書いてみたのですが、

入力がLの場合は、プルアップ抵抗を通じて入力信号側に電流が流れるので、出力もL、入力がHの場合は、電流は流れず、プルアップ抵抗でHレベルに引き上げられる、ってことですよね。

もしこれがうまく動作すれば、最小の部品点数で済みます！　とても興味深い回路です。ダイオードの買い置きはトランジスタや抵抗と同様、大量に手元にありますので、ブレッドボードで今から実験してみます！

ありがとうございました！

回答No.4

takepon256

こちらのTX側の回路を参考にされてはいかがでしょうか？
http://www.switch-science.com/products/detail.php?product_id=46

FETは電圧駆動なので、
・低電圧側がLOWの時はFETがONして高電圧側もLOWになる
・低電圧側がHIGHの時はFETがOFFして高電圧側のプルアップが有効になり、HIGHになる

お礼

ご回答を賜り、ありがとうございます！！

なるほど、こんな商品があるんですね。

回路図も拝見しました。FETをつかっているんですね・・・
実は、FETは使ったことがなくて・・・

まあ、トランジスタとは、電圧駆動か電流駆動の違いしかない程度のことなんでしょうけども、ちょっとまだ勉強不足で、回路図を拝見しても、ピンと来ませんでした。

しかしながら、トランジスタでは2石になってしまうところを、FETで1石でいけるならば、これは十分に検討の余地はありますよね。

手持ちにFETがないので、パーツ屋に行って買ってみて、いろいろ実験してみようと思っています。

大変参考になりました。ありがとうございました！！

回答No.3

inara1

トランジスタを２個使っていいのなら参考URLの回路でできます。R1 の値を大きくするとスレッショルド電圧が下がります。入力電流は最大90μAくらい（Vin = 0V のとき）です。入力電流をもっと下げたいときは R1 と R2 の比を同じにして値をもっと大きくしてください（R1 = 470kΩ、R2 = 100kΩ のときの入力電流は最大9μAで入出力特性はほとんど変化なし）。

お礼

ご回答を賜り、ありがとうございます！！

そして、補足の方も拝見しました。画像の件、お気遣いをいただき、恐縮です。消えないように、ローカルに保存しておきましたので、ご安心ください。ありがとうございます。

そして、トランジスタは、2石を使うことは十分に可能です！　現在、ユニバーサル基板で回路を試行錯誤しながら組んでいるのですが、残念ながら、DIPパッケージのICを乗せる連続したスペースがすでになくなってしまいました。しかし、断続的には残っているので、ここにトランジスタや抵抗を載せることは十分に可能です。

そして、回路を拝見しましたが、なるほど、PNPで一度反転した出力を、再度、NPNで反転するんですね！　これは目から鱗でした！！！　これはすごいです！！！

逆転の発想で正転させるなんてアイデア、思いも付きませんでしたが、原理的には完全に正しく、求めているものと全く違いがないため、ぜひこれを全面的に参考にさせていただいて回路を組みます！

何度もアップロードしていただいて、大変お手数をおかけし、申し訳ございませんでした。しかし、まさに求めていた答えを得ることが出来ました。本当にありがとうございました！！

回答No.2

dreamnstd

No1です.
失礼しました,コレクタではなくエミッタです.
すいません.

お礼

補足いただき、ありがとうございます。

実際、NPNトランジスタのエミッタとゲートを抵抗を通して接続する実験をしてみましたが、やはり2.8Vくらいにしかなりませんでした。

しかしながら、ベースに入力する前の抵抗値や、トランジスタとゲートの間に抵抗を入れることなど、とても参考になることがたくさんありました。

心より感謝いたしております。ありがとうございました！

回答No.1

dreamnstd

私だったら図１のコレクタ-GND間の抵抗を取っ払って,
ベース-GND間の抵抗をMΩオーダーにしてしまいますけどね...
Inputから電流が取り出せないのならなおさらです.
図がつぶれててよく見えないのですが,Inputの直後にある抵抗とそこからGNDに伸びてる抵抗は 10kΩ と 47kΩ ですか？これだと若干比率が小さい気がしますね.

念のためにゲート入力の直前に数十Ωの抵抗入れてゲートを保護しておこうかなという感じです.

ゲートの入力インピーダンスが極端に小さくなければ図の回路でも平気な気がしますが,それでも動かないようでしたら電源の要領不足か,既に出力が足りて無いか,NANDはちゃんと動作しているのかを疑ってみてください,この手の回路は案外そんなところで動いてなかったりするものです.

お礼

さっそくご回答を賜り、ありがとうございます！！

まず、ベースに入力する前の抵抗は、おっしゃる通り、10kΩ と 47kΩです。見えにくくて申し訳ございませんでした。

47kΩは、まあ単なるプルダウン抵抗のつもりなので、確かに、Inputは電流を流せないので、大きな値にしてしまうのは安定動作に必要なことですよね。ありがとうございます。

また、ゲートの前に保護抵抗を入れるというのは、初めて聞きました。ありがとうございます、入れておきます。

ただ、エミッタ→GND間の抵抗を取り去ってしまって、エミッタを（保護抵抗を通して）ゲートに入力してしまうと、Hの場合はいいけど、Lの場合は不安定になったりしないんでしょうか・・・一度試してみたいと思います。

電源に関しては、他の機器も接続する予定のため、大容量なスイッチング電源を使用しており、電圧降下も起きていませんので、問題はありません。また、NORゲートの動作に関しても、1MΩのプルダウン抵抗を通して、手動でHレベルを与える実験で、正常動作を確認しております。現在は、ロジックが完全に動いたことを確認した上で、外部インターフェイスを制作しているところでございます。

このたびは丁寧にご回答いただき、ありがとうございました。大変参考になりました！