トランジスタで８０８０をつくってしまおうというまさにびっくり仰天、狂気のプロジェクトです！
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見事にできましたら、もちろんＴＫ−８０モニタを乗せて、それからＢＡＳＩＣ、ＣＰ／Ｍを走らせましょう！
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［第４２６回］
●オープンコレクタ
久し振りに考えることになったトランジスタロジック回路でしたがやっと着地点に到達できたように思います。
その過程で思わぬ収穫がありました。
さてそれをどのように整理して書いていったらよいのか、何から先に書き始めたらよいのか迷ってしまいます。
普通の製作ノートでしたらとにかく日付順に書いていけばよいのですけれど（実際にノートはそのように書いていますけれど）。
なにしろあれこれ思いついて、それを思い付くままにテストをしたり検証したりという調子でやってきましたから、そしてノートもそのままの内容ですからとてもそのままをここに書くわけにはいきません。
さてどうしましょうか、ということなのですが。
ま。
なんとか整理しながら書いていくしかありませんでしょう。
まずは考えを整理するために過去記事をあらためて読み直すことから始めました。
それは［第４１１回］、バイナリカウンタを改良するということから始まったのでした。
およそ一ヶ月ほど前の記事です。
読み直してみますとなんだかあれこれ迷ってまとまりのない内容です。
それでもとにかくはカウンタ回路としてはそれまでＲＳフリップフロップ回路を２段使っていたところを１段で済ませるようにしましたから一応の成果はあったと思います。
せっかく改良回路を考えたのですからそれを試作基板として製作することにしました。
改良回路を考えるきっかけとなったバイナリカウンタ回路として使うための「ＴＲ７４」を［第４２２回］で作図しました。
それまでのバイナリカウンタ回路に比べてＲＳフリップフロップ回路部分が簡単になっただけ使用するトランジスタ数が少なくなりましたがその一方でエッジトリガパルス発生回路を追加したためその分のトランジスタ数は削減できた分から差し引いて考えることになります。
バイナリカウンタの改良について考えていくなかで派生的に思いついたのはレジスタ回路です。
トランジスタＣＰＵ回路ではレジスタを多用します。
そのレジスタはまさにフリップフロップの集合体です。
８ビットのレジスタではフリップフロップ回路が８組も必要です。
８０８０をトランジスタで作ろうとすると主要な８ビットレジスタだけでＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｈ、Ｌの７レジスタもあります。
そのほかにも演算用のレジスタやプログラムカウンタなどを含めるとそこで必要なレジスタは相当な数になります。
ＣＰＵをトランジスタ化するうえでそのレジスタのところをどうするかということがずっと長い間の悩みの種でした。
そのレジスタ回路のＲＳフリップフロップを１段で済ませることができるということになれば「トランジスタ版８０８０プロジェクト」の実現に一歩近付くことになりましょう。
ありがたいことにカウンタ回路と違ってレジスタ回路はエッジトリガである必要はありません。
ちなみにＭＹＣＰＵ８０Ｂではレジスタとして７４ＨＣ３７３を１８個も（！）使っています。
７４ＨＣ３７３は８ビットのＤ型ラッチでエッジトリガではありません。
Ｇ＝Ｈの間データは筒抜けになります。
レジスタとして使うならばそれでも構いません。
今回のバイナリカウンタ回路の改良によってＲＳフリップフロップを１段で済ませることができるようになったことはそのままレジスタ回路にも応用ができそうです。
しかもエッジトリガパルスを発生させる回路も不要ですからその削減効果は大きいことになります。
それを実際の回路で確認するために「１／２ＴＲ３７３」を［第４２３回］で作図しました。
その関連で以前作成した「７４ＨＣ１３９組立キット」と「７４ＨＣ１２６組立キット」の改良版として「１／２ＴＲ１３９」を［第４２４回］で、「ＴＲ１２５」を［第４２５回］で作図しました。
記事として書きましたのはそこまでですが、実はその過程でさらに一歩踏み込んでさらなるトランジスタ数の削減を試みることに挑戦をしました。
なんていいますと大げさになります。
はっきり言えばもっと早く思いつくべきことを単に思いつかなかっただけです。
それはともかくとしまして、そこで思いついたことは大きく分けて３つあります。
そのひとつが今回のテーマの「オープンコレクタ」です。
一般的なトランジスタロジック回路では出力がＨのときもＬのときもローインピーダンスです。
こんな回路です。
Ｔ１がＯＮのときは出力がＶｃｃ電圧になりＴ２がＯＮのときは出力がＧＮＤレベルとなります。
どちらの場合も出力側の負荷に対して大きな電流を流すことができます。
Ｔ１とＴ２が同時にＯＮになると両トランジスタを通してＶｃｃとＧＮＤがショートすることになりますから常にどちらか片方のトランジスタしかＯＮにならないような回路にします。
それに対してオープンコレクタは下の図のようにトランジスタが１個だけの回路です。
この回路もＴ２がＯＮになったときは出力はＧＮＤレベルになります。
その場合にはトランジスタが２個のときと同じ動作になります。
しかしＴ２がＯＦＦのときにはＴ１がありませんから出力はハイインピーダンスになります。
通常は出力ラインに適当なプルアップ抵抗をつけてＴ２がＯＦＦのときにはラインがＨレベルになるようにします。
トランジスタが２個の回路との違いは出力がＨのときはプルアップ抵抗を通した電流しか取り出せない、つまりＨの時の出力インピーダンスが高いということです。
トランジスタロジック回路では通常はその出力の先にある入力回路のインピーダンスも高いはずですからＨのときに出力インピーダンスが高いということは回路を考えるうえでそれほど妨げにはなりません。
ここで問題になるのはオープンコレクタではＴ２がＯＦＦになったときの出力ラインの立ち上がりが遅くなってしまうという点です。
そのことについては［第２４回］で書いています。
もう９年も前の記事です。
そこでは２ＳＣ１８１５のようなバイポーラトランジスタではなくて２Ｎ７０００を使った回路として説明をしています。
この場合にはオープンコレクタではなくてオープンドレインになりますけれど動作としてはどちらも同じことです。
その場合の問題として出力の立ち上がりが遅いという点についても同じでそのことについては［第２０回］で書いています。
このときはそのときの対策としてプルアップ抵抗を小さくすれば立ち上がりを速くすることができるが、するとトランジスタがＯＮのときにプルアップ抵抗を通して余計な電流が流れてしまうためそれはできないと書いています。
それはいささか浅慮でありました。
通常トランジスタロジック回路は負論理で考えます。
つまりある回路が「アクティブ」なときにはその回路の電圧はＬレベルであるように設計します。
いくらトランジスタを沢山使っていたとしてもそのうちの多くは通常は働いていなくて必要なときに必要な回路のみがアクティブになるというような回路になると思います。
ことにオープンコレクタ回路では信号がＬのときに意味があるところに使うのが普通ですから、その回路が休んでいるときにはオープンコレクタの出力はＨになるはずです。
まあ実際に全体の回路を組んで試してみなければはっきりと断言はできないのですけれど回路全体の消費電流についてはそれほど気にするほどのことではないのではと今は思っています。
それにしても。
プルアップ抵抗が２．２ＫΩのときの立ち上がりが２００ｎｓとはなかなかに速い値です。
このあたりのことはすっかり忘れてしまっていました。
今回は２ＳＣ１８１５を使って同じことを試してみました。
下の回路です。
プルアップ抵抗は１ＫΩです。
下は出力波形の画像です。
上側（ＣＨ１）はＴ２のベースに入れた入力クロックです。
下側（ＣＨ２）がコレクタの出力波形です。
立ち下がりはそれなりに速いのですが立ち上がりの遅延は２μｓ近くもあります。
さすがにこれでは使うことをためらってしまます。
あらためて２Ｎ７０００の実力を認識しました。
しかし今更２Ｎ７０００に戻るなんてことはできません。
当初はトランジスタＣＰＵ回路のシステムクロックをできれば４ＭＨｚにしたいなどと意気込んでいたのでしたがさすがに今はもう少し現実的な思考に変わりました。
今は「遅くたって動けばいいじゃん」なんて考えるようになりました。
しかししかし。
２μｓも遅延するということになりますとクロックも１桁落とさなければならなくなります。
このときの入力クロックは周期が８μｓですから１２５ＫＨｚです。
うーん。
それでもいかんことはないけれど…。
そもそも。
どうしてそんなことを考えるようになったかといいますと。
皆様ご承知の通りの昨今の円安です。
かっての電子立国、電子王国日本はどこへやら。
じつに情けない限りの有様であります。
実際半導体は言うに及ばず抵抗、コンデンサの類に至るまでその多くが海外からの輸入に頼らざるを得ない有様です。
この企画を思いついた当時は確か１ドルはまだ１００円以下だったと記憶しています。
海外からの調達に際しては大体ドル価格を１００倍すれば日本円での仕入れ価格になってなおおつりがくる状況でした。
それが今や５割アップです！！
いくらなんでもひどすぎます。
実際この状況がこの先も続くようでしたら販売価格の見直しをしないことにはそれこそ赤字になってしまいます。
ということで。
まだ計画の段階の当トランジスタＣＰＵについても真剣にパーツの削減について考えるべきときにきていると思います。
全ての回路ではないとしてもたとえば２ＳＡ１０１５と２ＳＣ１８１５の２個のトランジスタを使っている回路を２ＳＣ１８１５だけのオープンコレクタ回路に置き換えることができたならば。
原価は半減することになります。
そのように考えてあらためてオープンコレクタに注目してみたのですけれど。
うーん。
やっぱり２μｓも遅延してしまうのか。
今まで何回となく書いていることなのですが。
頭は生きているうちに使うものであります。
考えて考えて考え抜いたその先にこそ解決策が浮かぶのであります。
今回も過去記事を読んでおりますうちに。
突然。
「ひょっとしたら」
と思いついたことがあります。
２Ｎ７０００を使った回路ではそのあとで２ＳＡ１０１５を使うという考えに行ってしまいました。
そのときはＢＳ２５０の入手が難しいのでその代わりに２ＳＡ１０１５を使うというアイデアに落ち着いたのでしたが。
そのあたりのところを読み返してみて、どうしてそこまで考えたのに今一歩先に進まなかったのかという思いにかられます。
まあ当時はこれほどの円安になるなどと予想もしていなかったのでＢＳ２５０の代わりに２ＳＡ１０１５を使う（トランジスタを２個使う点では同じ）という程度で納得してしまったのだと思います。
何を思いついてしまったのでありましょうか。
下はそのように思いついたあとのオープンコレクタ出力の波形です。
さきほどの波形に比べてびしっとした急峻な立ち上がりになりました。
立ち下がりもさらに急峻になりました。
入力クロックを２ＭＨｚにして水平時間軸も５０ｎｓ／ｄｉｖにしてみました。
立ち上がりの遅延は１／２Ｖｃｃのあたりで２５ｎｓ程度です。
これはすごい！
これなら十分実用になりますでしょう。
ええ。
トランジスタは２ＳＣ１８１５ただ１個だけです。
間違いなくオープンコレクタ回路です。
プルアップ抵抗はさきほどと同じ１ＫΩです。
この波形を見たときには年甲斐も無く思わず叫んでしまいましたよ。
「やったぜ！ベイビー！」
立ち下がりのほうは１０ｎｓ以下のように見えます。
もっともっともっと早く思いつくべきでありました。
というところで。
次回に続きます。
トランジスタでＣＰＵをつくろう！［第４２６回］
２０２４．３．８ｕｐｌｏａｄ
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