DTL-NANDによるスルーラッチの実験

1. 実験の目的

DTL(Diode Transister Logic)にて作成されたNAND回路を使って
スルーラッチ(D-ラッチ)を構成し、その論理動作を確認します。



2. 実験課題

下記の項目について実験します。

1. NANDにより構成したスルーラッチ(D-ラッチ)の動作確認
2. スルーラッチのQnとD端子を接続し、EN="H"としたときの挙動観察



3. 実験回路

1. NANDにより構成したスルーラッチ(D-ラッチ)の動作確認
(1)NANDによるスルーラッチ回路


(2)スルーラッチのシンボル例



2. スルーラッチのQnとD端子を接続し、EN="H"としたときの挙動観察




4. 回路の動作

EN="H"のとき、Dと同じ値がQpに現れます。
EN="L"のとき、EN="L"となる直前のDの値がQpに保持されます。
EN="L"の状態でDを変化させてもQpは変化しません。


1. EN="H"のとき(スルー動作)
(1)D="L"のとき


(2)D="H"のとき



2. EN="L"のとき(保持動作)



3. 真理値表
以上の動作を真理値表で表すと下記となります。


EN	D	Qp	Q*
L	X	保持	保持
H	L	L	H
H	H	H	L


更に詳細な動作については、トランジスタ・パルス回路の解析の NANDによるスルーラッチを
参照してください。



5. 実験回路の設計

【本節の記述は DTL-NANDによるRS-FFの実験と同じ内容になります。】

NANDをひとつの論理素子と考えた場合、スルーラッチの回路構成は決まっているので
NANDとNAND間を接続する際の電気的仕様がうまく整合していることの
確認のみを行います。


1. DTL-NANDブロックの電気的仕様
(1)電源電圧
　Vcc:　5V±5%(5V±0.25V)
(2)出力電流(I_O)
　I_OH(max):　0.1mA
　I_OL(max):　8mA

I_OHは流れ出し、I_OLは流れ込みの電流値です。

(3)入力電流(I_I)
　I_IH(max):　0mA
　I_IL(max):　0.4mA

I_IHは流れ込み、I_ILは流れ出しの電流値です。

(4)出力レベル(V_O):
　V_OH(min):　3.0V
　V_OL(max):　0.4V
(5)閾値レベル(V_T):
　V_T(max):　2.3V
　V_T(min):　0.5V



2. DTL-NANDブロックの信号の電圧レベル
DTL-NANDブロック間を接続する際の電圧レベルを図示すると、下図のように
なります。"H"側で0.7[V]、"L"側で0.1[V]のノイズ・マージンがあり、
問題ありません。(もちろん"L"側ノイズ・マージンが小さいのは気になりますが)
なお、出力電圧(V_Y)の保証値については、この後検討する
出力電流(ファン・アウト)が定格以内に収まることが前提です。




3. DTL-NANDブロックのファン・アウト
出力の状態をすぐに判定出来るようにLEDを接続します。
端子Qpと端子Qnの両方に接続すると交互に点灯して楽しいのですが、
Qp側のみに接続します。こうするとQp="L"(Qn="H")のときLEDが点灯します。

LEDは680[Ω]の抵抗経由でVccに接続します。抵抗の最大誤差は5%とすれば、
点灯時、LEDに流れる最大電流(I_LED(max))は
I_LED(max) = (V_CC(max) - V_LED(min)) / R_L(min)
　　　= (5.25[V] - 2[V] * 1.05) / (680[Ω] * 0.95) ≒ 4.9[mA]

LEDの型式は不明なので、順方向電圧は2[V]±5%と仮定しました。
NANDの出力に接続される最大負荷は、NANDとLEDを接続したときです。
出力が"L"の場合のファン・アウトは下図となり、I_OL(max)=8.0[mA]に対し
最大5.3[mA]の流れ込みなので問題ありません。


出力が"H"の場合のファン・アウトは下図となりますが、流れ出しの電流は0なので
こちらも問題ありません。




6. 実験方法

1. NANDにより構成したスルーラッチ(D-ラッチ)
(1)下図の回路を組み立てます。
　RSフリップフロップのときとはQpとQnの位置が逆なので注意します。


(2)電源を入れます。
(3)EN端子はopen(EN="H")とします。このときスルー状態です。
(4)D端子をopen(D="H")とします。
　LEDが消灯し(Qp="H")、電圧計V_Qがほぼ0[V]("L")となることを確認します。
(5)D端子とグランド間を接続します。
　LEDが点灯し(Qp="L")、電圧計V_QがVccになることを確認します。
(6)EN端子とグランド間を接続します。このとき保持状態です。
(7)D端子とグランド間の接続を外したり、接続したりして
　LEDが点灯したままで(Qp="L")、電圧計V_QがVccのままであることを 確認します。
(8)D端子とグランド間の接続を外し(スルー状態)、D端子をopenにします。
　LEDが消灯し(Qp="H")、電圧計V_Qがほぼ0[V]("L")になることを確認します。
(9)EN端子とグランド間を接続します。このとき保持状態です。
(10)D端子とグランド間の接続を外したり、接続したりして
　LEDが消灯したままで(Qp="H")、電圧計V_Qがほぼ0[V]("L")のままであることを 確認します。
(11)以上の操作結果から下記の表のQp、Qn欄を埋めます。


EN	D	Qp	Qn
H	L
H	H
L	L
L	H



2. QnとD端子を接続し、EN="H"としたときの挙動観察
(1)下図の回路を組み立てます。


(2)電源を入れ、オシロスコープでQnの波形を観測します。



7. 実験機材

1. DTL-NANDブロックと 電子ブロック
使用したブロックは、実験方法の 電子ブロックの配置を参照。

2. 簡易安定化電源 (5[V]端子)
3. テスター



8. 実験結果

1. NANDにより構成したスルーラッチ(D-ラッチ)
Qp、Qnの欄(赤色)が測定結果。


EN	D	Qp	Qn
H	L	L	H
H	H	H	L
L	L	保持	保持
L	H	保持	保持



2. QnとD端子を接続し、EN="H"としたときの挙動観察
発振波形が観測されました。
発振周波数はおよそ100kHz

D,Qn、2V/div、2μs/div


9. 考察

1. NANDにより構成したスルーラッチ(D-ラッチ)
EN端子="H"で、D端子の値がQp端子にスルーで現れ、
EN端子="L"で、保持動作になることを確認しました。



2. QnとD端子を接続し、EN="H"としたときの挙動観察
スルーラッチは通常このような使い方はしません。
発振器として使用するなら、スルーラッチではなく最初からインバータを使います。
周波数が正確でなくてもいいような発振器には使用出来ます。
発振周波数はスルーラッチ内部のディレイ(遅延)の時間で決まりまるので、
カット・アンド・トライで調整することになるでしょう。




10. 今後の課題

1. 特になし



11. 参考文献

1. 特になし



12. 関連項目

1. トランジスタ･パルス回路の解析− DTL-NANDによるスルーラッチの解析
2. ディジタル回路実験ツール−DTLによるNANDブロック
3. 自作電子ブロック
4. 簡易安定化電源