7404 NOT回路（Hex Inverter）の動作原理解説

📖 7404とは

7404は6個の独立したNOT回路（インバーター）を内蔵したTTL（Transistor-Transistor Logic）ICです。各NOT回路は入力信号を反転させる基本的な論理ゲートです。

入力（A）	出力（Y）
Low (0V)	High (5V)
High (5V)	Low (0V)

🔧 TTLインバーターの内部回路構造

                    回路の3つの段：
                    入力段（Q1）：マルチエミッタトランジスタによる電流制御
位相分割段（Q2）：信号を反転し、出力段を駆動
出力段（Q3, Q4）：トーテムポール構成による高速・低インピーダンス出力

                

⚡ 動作原理の詳細解説

🔴 入力がHigh（5V）の時

Q1（入力段）：
・入力エミッタに5Vが印加
・ベース-エミッタ間が順方向バイアス
・電流がQ2のベースに流れる

Q2（位相分割段）：
・ベースに電流が流れON状態
・コレクタ電圧が下がる（約0.7V）
・エミッタ電圧が上がる（約4.3V）

Q3（上側出力）：
・ベース電圧が低く、OFF状態
・出力に電流を供給しない

Q4（下側出力）：
・ベース電圧が高く、ON状態
・出力をGNDに接続

結果： 出力 = Low（0V）

🔵 入力がLow（0V）の時

Q1（入力段）：
・入力エミッタが0V
・R1から電流がQ1を通して入力へ流れる
・Q2のベースに電流が流れない

Q2（位相分割段）：
・ベース電流がないためOFF状態
・コレクタ電圧が高い（約5V）
・エミッタ電圧が低い（約0V）

Q3（上側出力）：
・ベース電圧が高く、ON状態
・VCCから出力に電流を供給

Q4（下側出力）：
・ベース電圧が低く、OFF状態
・出力をGNDから切り離し

結果： 出力 = High（5V）

🎯 トーテムポール出力の利点

7404のトーテムポール出力構成（Q3とQ4）には以下の利点があります：

1. 低出力インピーダンス

High出力時はQ3が、Low出力時はQ4が低インピーダンスパスを提供し、外部負荷を効率的に駆動できます。

2. 高速スイッチング

出力レベル変化時に、一方のトランジスタがOFFになると同時に他方がONになるため、高速な立ち上がり・立ち下がりが可能です。

3. 大きな駆動能力

典型的なTTL出力は16mA（High出力時）から40mA（Low出力時）の電流を供給/吸収できます。

⚡ TTLファミリの進化：Schottky技術

🔍 Schottkyダイオードの役割

標準TTLの問題点：トランジスタが飽和状態になると、ベースに蓄積電荷が残り、OFF時の応答速度が遅くなります。

Schottkyダイオードによる解決：ベース-コレクタ間にSchottkyダイオードを並列接続することで、トランジスタの飽和を防ぎ、蓄積電荷を削減して高速スイッチングを実現します。

🚀 TTLファミリの比較

74S04（Schottky TTL）

特徴：
・Schottkyダイオードクランプ採用
・高速動作を重視した設計
・1969年に導入された初期Schottky技術

性能：
・伝播遅延：約3ns（標準TTLの3倍高速）
・消費電力：約20mW/ゲート（標準TTLの2倍）
・動作周波数：～100MHz

用途：
高速処理が必要なシステム、メモリアクセス回路、高周波アプリケーション

74LS04（Low-power Schottky TTL）

特徴：
・Schottky技術 + 高抵抗値回路
・速度と消費電力のバランス重視
・最も普及したTTLファミリ

性能：
・伝播遅延：約10ns（標準TTLと同等）
・消費電力：約2mW/ゲート（標準TTLの1/5）
・動作周波数：～40MHz

用途：
汎用デジタル回路、マイクロプロセッサ周辺回路、省電力システム

📊 TTLファミリ性能比較表

ファミリ	型番例	伝播遅延	消費電力	Speed×Power積	特徴
標準TTL	7404	10ns	10mW	100pJ	初期のTTL技術
Schottky TTL	74S04	3ns	20mW	60pJ	高速・高消費電力
Low-power Schottky	74LS04	10ns	2mW	20pJ	バランス型・最普及
Advanced LS	74ALS04	4ns	1.2mW	4.8pJ	さらなる改良版

Speed×Power積は回路性能の指標で、値が小さいほど優秀です。74LS04は消費電力を大幅に削減しながら実用的な速度を維持し、最もバランスの取れたファミリとして広く採用されました。

🔧 回路設計上の違い

74S04の設計特徴

Schottkyダイオードクランプ：各トランジスタのベース-コレクタ間にSchottkyダイオードを配置し、飽和防止による高速化を実現

低抵抗値回路：駆動能力向上のため抵抗値を小さくし、大電流駆動が可能（ただし消費電力増加）

74LS04の設計特徴

高抵抗値 + Schottky：抵抗値を大きくして消費電力を削減しつつ、Schottkyダイオードで速度を維持

最適化された回路構成：入力プルアップ抵抗を約20kΩ（標準TTLは4kΩ）に増加し、消費電力を大幅削減

📊 電圧レベル仕様（全ファミリ共通）

パラメータ	値	備考
電源電圧（VCC）	4.75V ～ 5.25V	全TTLファミリ共通
入力High電圧（VIH）	2.0V 以上	論理"1"と認識
入力Low電圧（VIL）	0.8V 以下	論理"0"と認識
出力High電圧（VOH）	2.4V 以上	論理"1"出力時
出力Low電圧（VOL）	0.4V 以下	論理"0"出力時

🎯 用途別選択指針

7404（標準TTL）を選ぶ場合

・汎用的なデジタル回路
・コストを重視する場合
・速度要求が厳しくない用途
・学習・実験用途

74S04（Schottky TTL）を選ぶ場合

・高速データ処理が必要
・メモリインターフェース
・高周波クロック回路
・消費電力よりも速度優先

74LS04（Low-power Schottky）を選ぶ場合

・バランスの取れた性能が必要
・バッテリー駆動システム
・大規模なデジタルシステム
・最も汎用的な選択肢

現代の代替技術

・74HC04（CMOS）：より低消費電力
・74AC04（Advanced CMOS）：高速CMOS
・74LVC04（低電圧CMOS）：3.3V動作
・用途に応じた最適化が進んでいる

💡 まとめ

7404シリーズのNOT回路は、基本的な3段構成TTL回路により信号を確実に反転します。Schottkyダイオードをベース-コレクタ間に配置することで、トランジスタの飽和を防ぎ蓄積電荷を削減し、高速スイッチングを実現したのが74S04です。

74S04は高速だが消費電力が大きく、74LS04は74Sの低電力版で、わずかに高速でありながら標準TTLより低消費電力を実現しています。74LS04はSchottkyダイオードと高抵抗値を組み合わせることで優れたバランスを達成し、最も広く普及したTTLファミリとなりました。

現在ではCMOS技術により、さらに低消費電力で高性能なロジックICが主流となっていますが、TTL技術の発展過程を理解することは、デジタル回路設計の基礎として重要な意味を持っています。Speed×Power積の概念に示されるように、回路設計では常に性能と消費電力のトレードオフを考慮する必要があります。