# 【新歓】非安定マルチバイブレータの実装

## マルチバイブレータとは？

### 情報を保持する回路


図の回路を考えてみましょう
インバータ(NOT回路)が環状に２つ接続されています。

Qと~Qについて、２つの安定した状態が考えられます。
| Q|~Q|
|:----:|:----:|
|0|1|
|1|0|

この回路では、基本的にこれら２つの状態が切り替わることがありません。
つまり、この回路がいずれの状態にあるか、という情報は保持されるのです。
これが、論理回路における記憶素子(SRAM)の基本です。

ただし、このままでは情報を書き込むことができないため、

こんな形(フリップフロップ)や

こんな形(ラッチ)で使われています。

### 電子回路上の実装

冒頭の回路の構成要素だったインバータは、以下のような回路で実現できます。


動作を確認してみましょう。
npn型トランジスタは、B-E間電圧が十分大きいとき、C-E間に電流が流れる素子です。


まず、入力がLのときを考えてみましょう(図左)。
BとEの電位がほぼ変わらないため、トランジスタはオフになります。
すると、抵抗に電流が流れないため、出力の電圧は電源電圧と等しくなります。つまりHです。

続いて、入力がHのとき(図右)
Bの電位がEの電位に比べ十分大きいため、トランジスタはオンになります。
すると、抵抗に電流が流れて電圧降下が発生し、出力はLになります。

余談: デジタル回路の実装は現在はほぼ、MOSFETを用いた以下のような回路になっています(CMOSといいます)。
デジタル回路として使うにはこちらの方が高速で便利(&インピーダンスも都合がいい)のですが、
今回は普通のデジタル回路とは異なる扱いをするため、バイポーラトランジスタを使います
<img src="https://i.imgur.com/VFXIgru.png" width=40%>

さて、このトランジスタを使ったインバータで、先ほどの記憶素子を作ってみましょう。


このような回路ができます。
なお、ベースに入っている抵抗は保護用で、スイッチは状態の遷移用です。
スイッチを一時的にONにするか、その箇所にパルスを入力することで、状態を切り替えることができます。

このように、インバータを複数組み合わせてできた、複数の安定状態をもつ回路を**マルチバイブレータ**といいます。
今扱ったものを特に双安定マルチバイブレータといいます。

### 非安定マルチバイブレータ

双安定マルチバイブレータでは、２つの安定状態はともに時間が経過しても変化しないのですが、ここで、そうでない準安定状態を考えると、面白いことができます。

以下の回路をみてください。
先程の回路ではベースに抵抗が入っていましたが、今回はCR回路が入っています。
片方の安定状態に遷移してから、コンデンサの放電が始まり、十分時間が経過すると反対側のトランジスタのB電位が高くなり、もう一方の安定状態に遷移します。
これを繰り返すことで、周期的な入力なしに振動を始めるのです[^1]。
この発振回路を**非安定マルチバイブレータ**といいます。

[^1]:トランジスタがONになっている間にコンデンサを十分充電するため、R₁<<R₂である必要があります

この回路をLTspiceでシミュレートした結果がこちら

B電位のグラフに、指数関数に似た曲線があるのが分かりますか？

ここでコンデンサが放電されているわけですね。
そして、B電位が0.6V辺りになると反対側のトランジスタがONになり、安定状態の遷移が起こるわけです。

さて、こんな非安定マルチバイブレータを使ってLEDを点滅させる回路を作ってみましょう!!