トランジスタによるシュミットトリガ回路の設計

質問

トランジスタ(2SC1815Y)を使ったシュミットトリガ回路の設計をしようとしています。学生実験で添付画像のシュミットトリガを組んだ記憶があり、この回路の通りに設計しようと考えています。

なお、今回想定する入力波形は、周波数10～100Hzで立ち上がり時間が非常に遅く(1msくらい)、Vp-p=5Vの正パルス波形とします。これをシュミットトリガによって、立ち上がり時間を早くしたいわけです(500nsくらいに)。→IC(74HC～～)の入力にいれて、立上りで余計なカウントをしないように。

そこで添付画像に記した各パラメータ(R1,R2,R3,RE,RL1,RL2,C)の決め方について教えてください。また、R2とCが並列に接続されていますが、これは何のためでしょうか。
どうかよろしくお願いします。

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回答No.1

xpopo · ベストアンサー

今日は、

　設計の仕方、考え方はいろいろあると思いますが、一例として；

１）Q2が「ON」した時の出力「L」レベルを受け側のIC の閾値以下にする。
　　ここでは、0.5V　に設定します。

２）立ち上がり立下りスピードが500nsくらいを目標なので、それを満足させられる
　トランジスタの動作スピードを確保できるコレクタの動作電流　ICを決める。　

　　500nSを実現するのに必要なトランジスタのｆTはおよそ

　　　ｆT＝（１／(2π*500ns））*3*hFE　　　(1)

　　で計算する。式で３を使っているのはざっくりですが、必要な時定数は
　　立ち上がり時間の１／３倍としてます。（立ち上がり時間は出力論理レベル「H」
　　の10%～90%の時間ですが、時定数は0%から63%までの時間なので）

　　　ここでトランジスタのｈFEを120と仮定すると必要なｆTは概略、

　　　ｆT＝115MHz

　　２SC1815のデータシートのfT－IC特性のカーブからIC=1ｍAも流せば十分なことが
　　わかります。よってトランジスタのICを1mAにします。

３）抵抗RL2とREを求める。

　　Q２がON状態を考えます。2SC1815はIC=１ｍAの時のVCE飽和電圧は
　　0.1V以下で十分小さいので、VCEsatは無視します。

　　ICが１ｍAなので、抵抗RL2とREの和は電源電圧Vcc＝５Vより、

　　　　RL2 + RE = 5V/1mA =　5kΩ　（２）

　　になります。Q2がON状態は出力が「L」状態の電圧（VOL）にありますので、
　　この状態では出力は電源Vccを抵抗RL2とREで分圧した状態になっていますので、
　　次の関係が成り立っています。

　　　　Vcc／VOL　=　（RL2 + RE)／RE　=　5V／0.5V　　（３）

　　式（２）と式（３）からREは

　　　　RE = 5kΩ*0.5V／5V = 0.5kΩ　→　510Ω　とする。

　　RL2は　　5kΩ - 0.5kΩ　=　4.5kΩ　→　4.7kΩ　とする。

４）　Q1のコレクタの抵抗RL1はRL2と同じ値になりますので　4.7kΩとなります。

５）　R2を決めます。

　　　R2はQ1のコレクタ電圧をQ２のベースに供給しますのでICの値の１／３程度
　　と大きめな電流を流しておきます。その場合、R2を10kΩ程度にすれば良い。

６）R2に並列につながれたCの役割：

　　Q1のコレクタがH⇔Lと変化しますが、それぞれの変化する瞬間の立ち上がり立下り
　　で抵抗R2をバイパスさせてQ2のベース電流を増加させてトランジスタのON-OFF
　　スピードを速める効果があります。

　　Cの値は大きいほど効果が出るというものでもありませんが、1,000pF程度は必要です。

７）R3について、

　　R3は必要ありません。Q2をOffにする状態ではQ2のベース－エミッタ間をQ1で
　　抵抗R2を介してショートしてますので、それで十分です。

以上です。

お礼

細かなアドバイスありがとうございました!!

実際に回路を組んでみたところ、Q2のICには4.5mA程の電流を流さなければ、立ち上がり時間が500ns程度になりませんでした。おそらく計算で参考にしたデータシートのfT-Ic特性の条件はVcc=10Vで、今回のVcc=5Vとは特性が少し違うのだと勝手に考えております。
また、RL1とRL2の抵抗の値を変えてみましたら、立上りと立下りの閾値に違いが表れ、おもしろかったです。

(1)式の計算の仕方がわかりませんでしたが（私が未熟ゆえに）、大変参考になるアドバイスありがとうございました!!

回答No.2

bogen555

シュミットトリガ回路については、アナログエンジニアの先生のブログに
「シュミットトリガの解析」として、詳細な解析が載ってます。
http://analog-engineer.cocolog-nifty.com/blog/2010/02/1-8ad8.html
http://analog-engineer.cocolog-nifty.com/blog/2010/02/post-099b.html
アナログエンジニアの先生は本も出してますから、それを読むのもエエでしょう。
http://www.amazon.co.jp/dp/4526055646
本を読んで質問すれば、責任ある回答が得られるでしょう。
また、ブログ内で検索すると、他でも触れてますね。
http://analog-engineer.cocolog-nifty.com/blog/2007/09/post_d94f.html
http://analog-engineer.cocolog-nifty.com/blog/2009/09/post-6967.html
Cについては、スピードアップ用なんで、波形を見ながらカット＆トライだと思いますが、アナログエンジニアの先生に質問すれば回答は得られるでしょう。

お礼

多くの情報ありがとうございます！
アナログエンジニアの先生のブログを読んで勉強します！