大阪大学 基礎工学研究科 電子光科学 (システム創成専攻) 2018年度 電子光科学 [II-4]

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祭音Myyura (co-authored with GPT 5.6 SOL)

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問題の要約 — 大阪大学公開の原問題（4ページ）

(1) 2入力 $P_1,P_2$、1出力 $Q_1$ のダイオード論理回路を考える。$Q_1$ は4 kΩを介して5 Vへ接続される。2個のダイオードはアノードがともに $Q_1$、カソードがそれぞれ $P_1,P_2$ に接続されている。ダイオードのON時の順方向電圧は0.7 Vとする。入力Hを5 V、入力Lを0 Vとし、出力1 V以下をL、4 V以上をHと判断する。論理演算の種類と、$P_1=\mathrm H,P_2=\mathrm L$ のときの出力電圧を求めよ。

(2) エミッタをGND、コレクタを1 kΩ経由で5 Vへ接続したnpnトランジスタを用いる。ベースを $P_3$、コレクタ出力を $Q_2$ とし、ON時のベース・エミッタ間電圧は0.7 V、コレクタ・エミッタ間抵抗は0 Ωとする。$Q_1$ と $P_3$ の間にダイオードだけの回路を挿入してDTL NANDを作る。両入力に同じ電圧を与えたとき、反転動作の入力しきい値が1.4 Vとなる挿入回路を描け。

(3) 2入力、1出力のCMOS NAND回路を描け。電源電圧5 V、GND、入力 $A,B$、出力を明記せよ。

(4) 出力を無負荷とし、出力がLのときの静的消費電流をDTL NANDとCMOS NANDで比較し、理由を述べよ。

Kai

(1)

どちらかの入力がLなら対応するダイオードが導通し、$Q_1$ は0.7 V、すなわちLとなる。両入力がHならダイオードはOFFとなり、抵抗を通じて $Q_1=5\ \mathrm V$ となる。したがって、AND回路である。

$$\boxed{Q_1=P_1P_2},\qquad \boxed{V_{Q_1}=0.7\ \mathrm V\quad(P_1=\mathrm H,P_2=\mathrm L)}.$$

(2)

$Q_1$ から $P_3$ に向かって順方向となるダイオードを2個直列に入れる。

両入力の電圧を $V_{\mathrm{in}}$ とする。入力側のダイオードが導通している間は $V_{Q_1}=V_{\mathrm{in}}+0.7$ Vであり、トランジスタがONとなる境界では

$$V_{Q_1}=2(0.7)+0.7=2.1\ \mathrm V.$$

したがって入力しきい値は $2.1-0.7=\boxed{1.4\ \mathrm V}$。入力がLならトランジスタはOFF、両入力がHならONとなるので、出力はNANDとなる。

(3)

pMOSを並列、nMOSを直列に接続する。

両入力がHのときだけ出力からGNDへの経路が導通するため、出力は $\overline{AB}$ となる。

(4)

$\boxed{\text{DTL NANDの方が大きい}}$。出力LではトランジスタがONとなり、1 kΩの抵抗を通って電源からGNDへ $5\ \mathrm V/1\ \mathrm{k\Omega}=5\ \mathrm{mA}$ のコレクタ電流が流れる。さらにベース駆動にも電流が必要となる。

CMOS NANDでは出力LのときpMOSが両方OFFとなり、電源からGNDへの直流経路がない。したがって、漏れ電流を無視すれば静的消費電流は0である。