TTL (+5V 系 CMOS) ファンアウト早見表です。

無いとたまに困るので。

74HC シリーズと 74HCT シリーズは、1980 年代に登場した Si ゲートの汎用 CMOS ロジックファミリです。
両シリーズの違いについては、データシートを見ても電気的特性の規定のみで、内部回路のどこが異なるのか記してある資料は少ないように思うので、ここに記しておきます。

まず電気的特性から見ると、両シリーズはロジックレベルが異なり、HC シリーズは入出力とも CMOS レベル (Vth ~ VDD/2)ですが、HCT シリーズは入力段を TTL レベル (Vth ~1.4V) に合わせています。
また、電源電圧範囲は HC が 2-6V、HCT が 5V ±10% と規定されています。（JEDEC 標準の場合）

さて、内部回路の違いを見ると、74HC と 74HCT の違いは入力段 MOSFET の特性のみということになります。

HC/HCT シリーズはバッファ付きなので、ほとんどの IC で同じCMOS インバータの入力段を持ちます（上図左側）。
この N-ch MOSFET と P-ch MOSFET の特性をうまく設定すると、VIN(th) をある程度自由に設定することができます。

74HC シリーズでは、この P-ch MOSFET と N-ch MOSFET の VGS(th) が同じ（コンプリメンタリ）になるように設計されています。
これにより、HC シリーズの VIN(th) は VDD の 50% となります。

一方、74HCT シリーズの入力段 N-ch MOSFET の VGS(th) は、P-ch より小さくなるように設計されます。
具体的には、VDD=5V のときに VIN(th) が TTL レベルとなるように作られています。

この VIN(th) のレベルは VDD に比例するので、
VIN(th) を TTL レベルに固定するために、
74HCT シリーズの電源電圧は 5V 専用となっているわけです。

入力段以外の特性は共通なので、HCT も HC と同様、広い電源電圧である程度動作させることは可能です。
AC 特性についても、入力段が非対称な分若干性能は落ちますが、他の部分は同一なので、HC シリーズとほとんど等価となります。
ただし、VGS-RDS 特性の通り、入力段 P-ch MOSFET のドライブが弱くなるので、低電圧で動作させる場合に特性が落ちることになります。

74HCT シリーズで注意が必要な点は他にもあり、一般に CMOS ロジックはスタティック動作で電流を消費しないのですが、HCT シリーズに TTL の H レベル信号を入力すると、mA オーダの消費電流が流れてしまいます。

上図の通り、TTL の H レベル (worst で 2.4V) 入力において、入力段の FET は両方とも ON 状態となるので、H レベルのスタティックな入力でも貫通電流が流れます。
HCT では入力段がコンプリメンタリでなく、同程度の AC 特性を確保する都合上、貫通電流の値も HC シリーズより多くなっています。
もちろん CMOS レベルの DC 入力ならば、HCT  でもほとんど電力を消費しません。

TTL レベル入力時の 74HCT シリーズの消費電力はデータシートの ΔICC (TI, RCA) や IC (Toshiba) で規定されています。
74HCT00 を例にとると、室温での 1 入力ピンあたりの消費電流は下表の通りです。

CD74HCT00E: 0.1mA (typ), 0.36mA (max) [VI=VCC-2.1V], 1.8mA (max) [VI=2.4V, VCC=5.5V]
SN74HCT00N: 1.4mA (typ), 2.4mA (max) [VI=0.5/2.4V, VCC=5.5V]
MC74HCT00AN: 2.4mA (max) [VI=2.4V, VCC=5.5V]
TC74HCT00AP: 2.0mA (max) [VI=0.5/2.4V, VCC=5.5V]
74HCT00N (Philips): 0.15mA(typ), 0.675mA(max) [VI=VCC-2.1V]

ただし、各社で測定条件が少し異なる点に注意が必要です。

また、上記の値は FET のリニア動作による結果ですから、温度には非常にセンシティブのはずです。
1 ピンあたりで mA オーダですから、条件によっては 74HCT シリーズは TTL ロジック IC よりも多くの消費電流が必要になるかもしれません。

参考資料: TI 社アプリケーションノート
SN54/74HCT CMOS Logic Family Applications and Restrictions

UDAS-01 は汎用カーブトレーサという位置づけです。メイン基板にプラグイン基板を接続することで、いろいろなデバイスの特性を測定できるように設計しています。

V-I コンバータ基板を作って、いくつかの昇圧型 DC-DC コンバータの負荷特性を測定してみました。以下にグラフを示します（Vin = 2.0V, Vout = 3.3V）。

(以下のグラフでは配線抵抗の影響があります。)

• MAX879

MAX879 は MAXIM の古いワンチップ DC-DC コンバータです。一時期秋月電子で扱いがあったので、割とポピュラな IC だと思います。リチウムイオン電池の利用を念頭に置いた設計で、Vin > Vout でリニア動作をする特徴があります。一方バイポーラ Tr による同期整流など、設計が古いため効率はあまり良くありません。

ロードは 0.5A まで取れるようにしていますが、回路定数の都合上 Iout<20mA と >20mA でセンス抵抗を切り替えています。このためグラフ上ギャップがみられます。

• BL8530-331

BL8530 は上海 Belling 社の PFM/PWM DC-DC コンバータです。同社ウェブページからは削除されてしまいましたが、実のところ TOREX 社 XC6372A の相当品のようです。データシートを見る限りオリジナルよりスペックが高いようですが…。私はこの IC を気に入っていて、3V 版をよく使用しています。グラフを見るとηがぎざぎざしていますが、負荷によって内部動作を切り替えているのかもしれません。

• HT7733A

HT7733A は台湾 HOLTEK 社の PFM/PWM DC-DC コンバータです。秋月で手軽に手に入る (@￥40) のでこれも良く使用しますが、個人的には効率や安定性がもう一歩という印象です。グラフを見ると、高出力時になると効率は下がってしまうようです。電流容量の小さいノンA版も aitendo で購入できます。

• 比較

上図は、とりあえず手元にあった上記 3 種を同一グラフにプロットたものです。高負荷時に MAX879 の効率が最も良くなっているのは同期整流のおかげでしょう。最近の MOSFET による同期整流の IC では 90% 以上の効率を期待できるので、そのうち比較したいと思っています。

• MAX232 系

MAX232 に代表される RS-232C トランシーバ IC には正負電源のチャージポンプが内蔵されており、これを OPAMP の電源として使用できないかという試みは以前からなされています。しかし、このチャージポンプの特性図はほとんどの IC のデータシートで省略されており、確認するためには実測するしかありません。

上図は TI 社 MAX232I の出力特性です。- 側は無負荷で、+ 側を 20mA まで引いてみましたが、一般的な非安定チャージポンプの特性を示します。また、出力インピーダンスは Zout ~ 100 ohm と読めます。

同じ 232 の型番でも、メーカによって内部回路は異なります。上図は Sipex 社 SP232AEP の出力特性です。MAX232 との違いは一目瞭然で、SP232AEP では Iout<6mA で出力電圧がほぼ一定なので、安定化チャージポンプ回路となっているようです。また出力容量が小さく、Iout>6mA でシャットダウンされていることがわかります。これは容量不足ではなく、内蔵された過電流防止回路によるものと思います。

前回からの変更点
・NPN/PNP Tr の測定に対応
・3 段階の測定レンジ・計測精度の向上
・IB-VBE 図の追加

以下、いくつかの Tr で測定したグラフを示します。

• 2SC1815(GR)

IC-hFE

上図は 3 段階 (IB<4uA, 70uA, 800uA) に分けてトレースしたものを重ねています。やはり IC>60 mA で hFE が落ち込んでいます。繰り返しになりますが、DCA75 のようなアナライザでは IC を 100mA まで取れないので、こういう特性はわかりません。

2SC1815 のデータシートのように、同じグラフを log-log で表示したものです。低 IB から高 IB までしっかり計測できていることがわかります。さすがに、データシートに「直流電流増幅率の電流依存性が優れています」とあるように、IB<60mA では非常にフラットです。

IB-VBE

上図は IB-VBE (エミッタ接地 VCE=5V) です。配線抵抗と Tc (パルス計測でないため) の影響があるので、高 IC となる範囲は少し誤差があると思います。

逆接続時 IC-hFE

バイポーラ Tr はエミッタとコレクタを逆にしても NPN あるいは PNP 構造となるので、幾許かの増幅作用が期待できます。エミッタとコレクタを逆に接続して直流電流増幅率をトレースしたのが上図で、センシング抵抗がレンジとマッチしないのでギザギザしていますが、hFE < 10 と極めて少ないながらも一応の増幅作用は確認できます。またこの増幅率も IC に非常に依存するものとなっています。この逆方向増幅率はほとんどの Tr のデータシートには規定されていないので、これは貴重なグラフといえます。

• 2SA1015(Y)

2SC1815 のコンプリ、2SA1015 の Y ランクを見てみます。

IC-hFE

上図は IC-hFE のグラフです。2SC1815 と同様に hFE は広い範囲でフラットですが、高 IC 時の落ち込みは少ないようです。Y ランクと GR ランクとの違いでしょうか。

IB-VBE

2SC1815 と傾向が異なるように見えます。

• 2SB270

ゲルマニウムトランジスタの特性を見てみたいと思います。2SB270 は三洋の小信号用 PNP ゲルマニウム Tr です。ジャンクで手に入れたものなので、新品と比べて劣化があるかもしれません。なぜだかスリーブの色にバリエーションがありますが、今回は青色のものを使用しています。

IC-hFE (補正前)

上図は上記とまったく同じ条件でトレースしたものですが、明らかに IC が小さい範囲でおかしく見えます。一般にゲルマニウム Tr は漏れ電流 (ここで影響するのは ICBO) がシリコン Tr と比較して数桁大きいので、この影響で見た目の hFE が大きく見えています。2SB270 のデータシートによると、ICBO < 12uA @ 6V となっています。今回のサンプルでは実測で ICBO = 3.2 uA でした。この ICBO の影響を補正したものが下図です。

IC-hFE(補正後)

Ge. Tr としては高めの hFE です。一方で hFE の IC 依存性が見られます。

IB-VBE

ゲルマニウム半導体の特徴として低い順方向電圧が挙げられます。当然ながら Ge. Tr の VBE の値も Si. Tr と比較して小さくなっています。

[旧ブログからの移行記事]

最近は USB 接続で動作する汎用のカーブトレーサを製作しています。
型番は UDAS-01 と名づけました。
これは USB Device Analyzer System の略称のつもりです。
未知のダイオードやトランジスタに対して、以下のようなグラフが取れます。

このデバイスは HID デバイスの USB キーボードとして動作します。
Excel を起動した状態でスイッチを押すと、
自動的に取得したデータが打ち込まれていきます。

（上面図）

写真に見るように、3ch の DAC と 16bit の ADC を搭載しています。
また、MCU には AVR の ATmega88V を使用しています。
上記写真右側のコネクタに V-I コンバータや V-F コンバータなどの
プラグインボードを接続して使用します。
汎用性を重視したつくりになっており、
半導体のみならずスイッチングレギュレータの特性など、
いろいろ計測することを想定しています。
スタンドアローンでも、15V 100mA 程度までグラフが引けます。

ちなみに、秋月で扱いのある半導体アナライザ (DCA-75) も
カーブトレーサ機能がありますが、100mA も電流を流せません。
もっとも、手軽さの点では市販品の方が優れていることは
いうまでもありません。

下記はいろいろな Tr の Ic-hFE 特性をグラフにしたものです。
(Vce = 3V (小信号) または 5V (中電力))

(1) 2SC1815

2SC1815 は汎用の小信号 Tr です。
一般にバイポーラ Tr は定格付近で hFE が低下してしまいます。
今回使用した個体は GR ランクですが、hFE の落ち込みが顕著でした。
Ic<5mA で hFE がやや低いのは測定誤差によるもので、
基本的に Ic<50mA の領域で hFE はフラットです。

(2) 2SC2021

2SC2021 は ROHM の定番汎用小信号 Tr です。
Ic 定格 100mA ですが、hFE の落ち込みは 2SC1815 ほど顕著ではありません。
一方、低 Ic の領域では、2SC1815 ほどフラットではないように見えます。

(3) 2SD468

2SD468 は日立の中電力 Tr です。(Ic=1A)
電源容量の都合で 180mA まで引きましたが、hFE は落ちません。

(4) 2SC827

2SC827 は富士通の SW 用 Tr です。 (Ic=0.5A)

(5) 2SD2171S

2SD2171 は ROHM の中電力 SW 用 スーパーβトランジスタです。
スーパーβトランジスタとは文字通り hFE の非常に高い Tr のことで、
グラフを見ての通り hFE の桁が違います。
この Tr が役立つところはえてして MOSFET の方が適格となるので、
意外と使いどころが難しいういやつです。

少 Ib 時の誤差が目立ちますので、これの解消が課題です。

ADC などの I2C デバイスを絶縁させて動作させたい場合があります。
I2C は双方向バスなので、インタフェースに少し工夫が必要です。
上記はフォトカプラを使用した簡易的な I2C 絶縁回路で、
クロック 1kHz 程度なら問題なく動作します。
（なおクロックストレッチは対応せず）
回路定数は重要であり、フォトカプラの CTR も 100% 以上必要でしょう。
東芝 TLP521-GR が適当です。

ひとまず完成ということで、Pong を動作している動画をアップロードしました。

実際は 2ヶ月前に回路は完成していたのですが、一度動いてしまうと満足してしまい、
しばらく放置してしまっていたのでした。

続きを読む →

* ものは完成しているのですが、執筆が間に合っていません…

4 枚目はゲームコントロール回路、サウンド出力回路です。参考にした回路図には少し誤りがあるので、原本を参照したほうがよいかもしれません。右下の SW はゲーム開始ボタンです。

オリジナルの回路にはアンテナ入力があるのですが、役割がよくわかりません。この信号と /SRST 信号は Tr で組まれたラッチ回路の入力となっており、客が近づいたら ATTRACT モードになるという動作でいいのでしょうか？今回はこの部分も TTL IC に変更しています。また、オリジナルのオーディオ出力には DC 成分が残りますので、10uF でカップリングしています。

IC のデカップリングキャパシタですが、IC 1 列ごとに 3.3uF のタンタル C、フリップフロップに別途 0.1 uF のセラミック C を乗せています。少し足りないかとも思いましたが、この程度で十分のようです。ただし、使用した IC は半分以上 74LS なので、スタンダード 74N を使用するなら、もう少し多く載せたほうが良いかもしれません。