TTLインバータ等価回路のトランジスタの動きについ

質問

TTLインバータ回路の等価回路の動作について考えていたのですが、どうしてもわからない部分があるため、どなたかお解かりになる方教えていただけないでしょうか。

わからないのは入力直後の2つのトランジスタの動きです。回路はこの部分を抜粋して見ていますが、回路図のSW1をLowとしたとき

１、VccからR1の抵抗を通ってTR1のベースからエミッタに向けて電流が流れてTR1がONの状態になる

２、TR1がONすることにより、TR1のエミッタとコレクタは導通状態となるが、電流源となる電源が無いため電流は流れない。

３、よって、スイッチに流れていく電流は、R1を通過した電流のみと考えてよい

で、SW1をHighにしたときですが、

４、TR1のエミッタの電位がコレクタとほぼ同電位となるためTR1のベースに電流は流れず、TR1はONしない

までは、わかるのですが

ここで、TR2のベースへ電流が流れる理由がわかりません。

ケース1
SW1がHighになったことで、TR2のベースに向かって電流が流れるとすると、TR1のエミッタからコレクタを通って流れるのか？

はたまた、

ケース2
VccからR1を通ってTR1のベースからコレクタへ流れるのか？

と躓いています。

Tinaという回路シミュレータでこの回路の動きを見たのですが、どうもケース1のような動きをしていますが、この結果が正しいのか、正しければどうしてそうなるのか（エミッタからコレクタの逆方向へ電流が流れる）？

お解かりになる方が見えましたら、教えてください。よろしくお願いいたします。

ちなみに、シミュレーションの結果では、SW1がHighの時に

　　VccからR1を通じて225.38μAがTR1のベースに向かって流れている。

　　TR1のコレクタからTR2のベースに向かって1.35mAの電流が流れている。

　　SW1からTR1のコレクタに向かって1.13mAの電流が流れている。

結果になっています。

回答No.3

mink6137 · ベストアンサー

＞ここで、TR2のベースへ電流が流れる理由がわかりません。

＞ケース1
＞SW1がHighになったことで、TR2のベースに向かって電流が流れるとすると、
＞TR1のエミッタからコレクタを通って流れるのか？

逆NPN（エミッタ→コレクタ、コレクタ→エミッタとして）動作の電流が流れます。

＞はたまた、

＞ケース2
＞VccからR1を通ってTR1のベースからコレクタへ流れるのか？
＞と躓いています。

コレクタをエミッタとして使うモードなので、ベース電流も流れます。

＞Tinaという回路シミュレータでこの回路の動きを見たのですが、どうもケース1のような動きをしていますが、こ＞の結果が正しいのか、正しければどうしてそうなるのか（エミッタからコレクタの逆方向へ電流が流れる）？

＞お解かりになる方が見えましたら、教えてください。よろしくお願いいたします。

ケース１とケース２の電流の和がTR2のベース電流になるのが正しいです。

＞ちなみに、シミュレーションの結果では、SW1がHighの時に

＞　　VccからR1を通じて225.38μAがTR1のベースに向かって流れている。

このベース電流は逆NPNのエミッタを通ってTR2のベースに流れます。

＞　　TR1のコレクタからTR2のベースに向かって1.35mAの電流が流れている。
＞　　SW1からTR1のコレクタに向かって1.13mAの電流が流れている。

この場合、Ic+Ib=Ieなので、1.13mA+0.225mA=1.355mA
となり、逆NPN時の電流増幅率βI≒5.0程度にTR1のモデルパラメータが設定されているようですね。

お礼

mink6137 さま

回答の詳しい解説ありがとうございました。

ほかの方の回答であった逆接続の際の資料の確認とあわせて再度シミュレーションしてみました。

SW1がHighのときは、TR1のベース電位がコレクタ電位よりも0.6Vほど高くなっており逆接続の動作条件を満たしていることが確認できました。

回路の動きとしては、

SW1がHighになると

４、TR1のエミッタの電位がコレクタとほぼ同電位となるためTR1のベースに電流は流れず、TR1はONしない

５、TR1のベースの電位はほぼ5Vとなり、TR1のコレクタ側より電位が高くなる

６、TR1のコレクタ－ベース間の電位が逆接続の条件を満たしたため、TR1のエミッタからコレクタの逆方向へ電流が流れ出す

７、TR1のコレクタから流れてきた電流とTR1のベースを通じてコレクタへ流れた電流がTR2のベース端子に流れ込み、TR2がON状態となる

という動きになりました。

あと、シミュレーションしてわかったのですが、この回路ではA点の電位は常時TR1のベース電位よりも低い状態のようです。

Lowのとき、TR１のコレクタはほぼ0VでTR1のベース電位のほうが0.6Vほど高くなっています。

Highのときは

(1)SW1がLowからHighへと切り替わる、
(2)TR1のエミッタとベースが同電位となりこの方向へ電流は流れない
(3)TR2のベース電位が0Vと低いことからTR1のベースからTR1のコレクタへ電流が流れ出す
(4)これに伴い、TR1のエミッタからコレクタに向けて電流が流れ出す
(5)(2)と(3)の電流がTR2のベースへ流れることでTR2をONさせる
(6)TR2のベース電位は、R2とR4に流れる電流とTR2のVBE＝0.7Vを加算した電位となる
(7)R1にはごくわずかな電流しか流れず電圧降下も小さいことからTR1のベース電位は高いままの状態
(8)TR2はON状態を維持する。

となるため、TR1のコレクタ(TR2のベース)の電位は、常にTR1のベース電位よりも低くなっているようです。

モデルパラメータは、特に気にしていませんでしたが、確認したら5倍に設定してありました。

細かい点までご指摘いただき、理解することができました。
このたびは、回答ありがとうございました。

回答No.2

tadys

＞ケース2 VccからR1を通ってTR1のベースからコレクタへ流れるのか？
ケース２が正しいです。

トランジスタのコレクタとエミッタを逆にしてもトランジスタとして動作します。
ただし、下記ＵＲＬにある様に性能は低下します。
http://www.rohm.co.jp/web/japan/tr_what3-j

お礼

tadys さま

回答ありがとうございました。

資料のURLも助かりました。
偶然にも昨日、その資料のページで抵抗つきトランジスタのページを見ていましたが、同じところに答えがあるとは思いませんでした。

資料の内容といただいた回答とあわせて再度シミュレーションをしてみたいと思います。

このたびは、回答ありがとうございました。

回答No.1

shintaro-2

>Tinaという回路シミュレータでこの回路の動きを見たのですが、どうもケース1のような動きをしていますが、この結果が正しいのか、正しければどうしてそうなるのか（エミッタからコレクタの逆方向へ電流が流れる）？

正しいです

バイポーラTrは、　PNPとかNPNというサンドイッチ構造なので、原理的にエミッタとコレクタとを逆に接続しても動作します。

ただし、その場合はhFEがもとの１０％程度まで低下するようです。

お礼

shintaro-2 さま

回答ありがとうございました。

逆接続に関しては、動作しないものと考えていましたがそうではないようですね。

そいうえば、トランジスタの勉強をしたときに、同じ素子ではさんでいるのになんで逆に動かないんだと疑問に思ったことを思い出しました。

そのときは、動きを覚えることに集中して無視していましたが、まさかこんなところでその疑問が解決するとは思いませんでした。

やっぱり、疑問はちゃんと解決するのが一番と思い知りました。

このたびは、ご回答いただきありがとうございました。