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電子デバイス／半導体集積回路

１０．汎用論理集積回路

　６項と前項でＩＧＦＥＴでもバイポーラトランジスタでもそれらのスイッチング機能を利用して論理回路を作ることができることを示しました。論理回路は基本となるいくつかの論理回路を多数組み合わせて必要な全体の論理回路を作りあげますから、トランジスタや抵抗器などの個別部品を組み合わせて作るより、集積化した基本論理回路を使う方が明らかに便利です。

　トランジスタはバイポーラ型が先行したので、集積回路の実用化もバイポーラ型から始まりました。バイポーラトランジスタを用いた最初期のＮＯＲ回路を図１０－１に示します。前項の図９－２のインバータの入力抵抗を並列に２つ（Ｒ_１Ａ、Ｒ_１Ｂ）接続した回路で、どちらの抵抗器に入力信号が入ってもトランジスタをオン、オフできるのでＯＲ、正しくはＮＯＲ回路となります。この回路は1961年にフェアチャイルド（Fairchild）社によって世に出され、抵抗－トランジスタ論理回路（Resistor-Transistor Logic 略してＲＴＬ）と呼ばれます(1)。

　しかし、この回路のように入力側に抵抗器を接続すると、入力信号が１（高い電位）になりトランジスタがオンになった場合、抵抗器を介して電流が流れますので、消費電力が大きくなってしまうという難点があります。そこで抵抗器をダイオードに変えて入力側から流れ込む電流を防いだ図１０－２のような回路が考えられました。ただし抵抗器Ｒ_１Ａ、Ｒ_１Ｂを単にダイオードＤ_１Ａ、Ｄ_１Ｂに置き換えただけでは両方の入力信号が０（低い電位）の場合でもダイオードには順方向電圧があるので、これによってトランジスタがオンになり、入力信号にかかわらずトランジスタはオンのままになってしまいます。そこでダイオードＤ_２を挿入してＤ_１の順方向電圧を打ち消すようにしてＡ、Ｂがともに０のとき、トランジスタがオフになるようにしています。ダイオードＤ_２は２個直列にした方が動作が確実になります。このＤ_２をレベルシフトダイオードと呼んでいます。ダイオードを用いた場合をダイオード－トランジスタ論理回路（Diode-Transistor Logic 略してＤＴＬ）と呼びます。

　ＤＴＬは動作速度が遅いという欠点があります。そこでＤＴＬのダイオードを図１０－３のようにトランジスタで置き換えた回路が考えられました(2),(3)。これをトランジスタ－トランジスタ論理回路（Transistor-Transisitor Logic 略してＴＴＬ）と呼びます。入力側のトランジスタＴｒ_１、Ｔｒ_２のベース－エミッタ間接合がＤＴＬのダイオードＤ_１Ａ、Ｄ_１Ｂに相当し、ベース－コレクタ間接合がダイオードＤ_２に相当しますから、レベルシフトダイオードは不要となります。集積回路の製造ではダイオードを作る工程もトランジスタを作る工程もパターンを変えるだけで特別な変更は必要がなく、同じトランジスタを使った方が同じパターンで済むためかえって好都合です。初期に用いられたＲＴＬやＤＴＬは比較的早い時期にＴＴＬに置き換えられ、バイポーラトランジスタの集積論理回路は最終的にＴＴＬになりました。ＴＴＬは1962年にテキサス・インスツルメンツ（Texas Instruments）社が初めて製品化しています(2)。

　このＴＴＬの場合、入力側のトランジスタを図１０－４のように複数のエミッタをもつ一つのトランジスタとすることができます（マルチエミッタ型と呼びます）。ベース上に溝で区切ったエミッタ領域を複数作ります。これにより入力側のトランジスタを１個にまとめることができ、集積回路とした場合に面積を小さくすることができます。マルチエミッタ型トランジスタはＴＴＬが世に出る時期に発案されたようです(4)。

　あらゆる論理回路はＮＯＲ、ＮＡＮＤ、ＮＯＴ回路があれば、これらを組み合わせて実現できます。そこでこの３種類の回路がそれぞれ集積回路として準備されてあれば、ユーザは作製したい回路にしたがってこれらの入出力、電源、接地の端子を配線すれば簡単に論理回路が作れます。

　実際に、ＴＴＬを使って標準的な回路が提供されてよく使われました。これを汎用論理回路と言います。具体的には例えば図１０－４のような２入力のＮＡＮＤ回路を４つを14ピンのパッケージに納めた製品（図１０－５）など、使いやすいように、いろいろな回路が用意されていましたので、ユーザはこれを選んで作製したい回路に従って準備したプリント基板に取り付ければよかったわけです。

　現在ではＴＴＬより消費電力が少ないＩＧＦＥＴ（ＣＭＯＳ）の論理回路への置き換えが進んでいます。内部回路は基本的には６項で示したようなものが用いられ、バイポーラトランジスタのＴＴＬとは異なりますが、汎用という考え方は受け継がれ、ＴＴＬと互換の製品が多く用意されています。

(1)Resistor-Transistor Logic ウィキペディア

(2)Transistor-Transistor Logic ウィキペディア　

(3)米国特許3283170号（対応日本特許：特公昭48-12661号）

(4)英国特許1037973号

　

　