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トレラント機能について教えてください。

トレラント(注)とは「寛容(耐性のある)」という意味です。CMOSロジックICには入力トレラントと出力トレラントの2種類のトレラント機能があります。また、これとは別に出力パワーダウンプロテクション(注)があります。
電子機器内では複数のICが用いられます。これにより複数の電圧系(3.3V系や5V系など)が存在することが良くあります。このような場合、入力・出力トレラントが求められます。後述するレベルシフタ―(レベル変換)などの機能も求められます。また、携帯機器のバッテリー持続時間の長時間化、省電力などを目的に機器内の使用していないブロックを部分的にオフ(Partial Power Down)することがあります。このような使い方では出力パワーダウンプロテクションが求められます。

  • 入力トレラント:ICの電源電圧VCC(0V ~ 動作範囲の上限電圧)が印加されているときに、この電圧を超える電圧が入力端子に印加されても、入力端子からICに電流が流れ込まない* 機能です。ただし、動作範囲を超える電圧は印加できません。

出力に関しては、少し複雑です。CMOSロジックICでは、CMOSの由来となっているPch-FETとNch-FETをトーテムポール式に組み合わせた図に示すような出力回路になっています。このため、ほとんどのICでは動作時に外部から電圧を印加することができません。印加すると電源又はGNDとショート状態となりICが破壊する可能性があります。

一般的なCMOSロジックICの出力回路 出力 “H” 時 出力 “L” 時

注)トレラントとパワーダウンプロテクションを同じ意味合いで使うケースもあり、入力トレラントは入力パラーダウンプロテクション、出力パワーダウンプロテクションは出力トレラントという事もあります。

  • 出力トレラント:ディセーブルモードを持つICでHi-Zの出力となるディセーブルの時に、電源電圧を超える電圧が出力端子に印加されても、出力端子からICに電流が流れ込まない* 機能です。ただし、イネーブル状態(”H” 又は “L”)で電源電圧を超える電圧を印加することはできません。電源又はGNDとショート状態となりICが破壊する可能性があります。出力がオープンドレインのタイプについても電源電圧を超える電圧が出力端子に印加されても、出力端子からICに電流が流れ込みません。これも出力トレラントの機能を有しています。このタイプでは外部電源と出力の間に抵抗を挿入することで“H”、“L”ともに電源電圧を超える電圧を印加できます。尚、出力トレラント機能を持つ場合でも、動作範囲を超える電圧を印加することはできません。

*:リークレベルの電流は流れます。

  • パワーダウンプロテクション(注):電源電圧が印加されない状態(VCC=0V)で、動作範囲電圧内の電圧を出力に印加しても、電流が流れ込まない機能です。この機能は、ディセーブルモードの有無には関係しません。

従来からある一般的なCMOSロジックICの等価回路を以下に示します。IC内の入力端子側、出力端子側にダイオードがあります。入力側はESD保護などを目的に意図的に入れています。出力側は意図的ではない寄生ダイオードになります。入力ー電源間、出力―電源間のダイオードが、電源電圧VCC以上の電圧印加、オフ時の電圧印加によりオンして大電流を流し素子を破壊することがあります。出力側は直接電源ラインに接続することはありませんが、バスシステムなどで、他のバス出力と接続されることがあります。

入力トレラントやパワーダウンプロテクション機能を持たないCMOSロジックICの入出力等価回路
入力トレラントやパワーダウンプロテクション機能を持たないCMOSロジックICの入出力等価回路
トレラント機能について教えてください

タイプ

シリーズ名

シリーズ番号

ワンゲートロジック (L-MOS)
相当品

動作電圧範囲
VCC (V)

伝搬遅延時間 *1
tpLH,tpHL (ns)

出力電流 *2
IOUT (mA)

入力トレラント

出力パワーダウン
プロテクション

5Vシステム

対応

スタンダード

TC40xxB
TC45xxB

TC4S
TC4W

3 to 18

200
(at 5.0V)

±0.51
(at 5.0V)

ハイスピード

TC74HC

TC7S
TC7W

2 to 6

23
(at 4.5V)

±4.0 or 6.0
(at 4.5V)
(±2.0 in the case of TC7S)

TC74HCT

TC7WT

4.5 to 5.5

28
(at 4.5V)

アドバンテスト

TC74AC

 

2 to 5.5

8.5
(at 4.5V)

±24
(at 4.5V)

TC74ACT

 

4.5 to 5.5

9.0
(at 5.0V)

ベリーハイスピード

TC74VHC
74VHC

TC7SH
TC7WH

2 to 5.5

8.5
(at 5.0V)

±8.0
(at 4.5V)

TC74VHC9
74VHC9

10
(at 5.0V)

TC74VHCT
74VHCT

TC7SET

4.5 to 5.5

9.5
(at 5.0V)

*3

TC74VHCV
74VHCV

 

1.8 to 5.5

8.5
(at 5.0V)

±16
(at 4.5V)

低電圧システム

対応

中速

TC74LCX
74LCX

TC7SZ
TC7PZ
TC7WZ

1.65 to 3.6
(1.65 to 5.5 in the case of TC7SZ/PZ/WZ)

6.5
(at 3.3V)

±24
(at 3.0V)

*4

高速

TC74VCX

7UL

1.2 to 3.6
(0.9 to 3.6 in the case of 7UL)

4.4
(at 3.3V)

±24
(at 3.0V)
(±8.0 in the case of 7UL)

*1 :代表製品(TC4001, 74HC244, TC74AC244, 74VHC244, 74VHC9541, (An-Yn) 74LCX244, TC74VCX244)の伝搬遅延時間(Max値 at -40~85℃)です。 TC4001のみ25℃のMax値。
*2 :出力電流の値は、データシート内のDC特性にて規定されています。これとは別に絶対最大定格でも出力電流を規定しています。
*3:TC7SETシリーズは、出力パワーダウンプロテクション機能はありません。  
*4:TC7SZのfSVパッケージ製品は、オープンドレインを除いて、出力パワーダウンプロテクション機能はありません。

出力トレラントに関しては、注意が必要です。
出力トレラント機能(外部から許容される範囲内で電圧を印加できる)が許されるのは下表に示すパワーダウンプロテクション機能を持つァミリーに限られます。更に、出力ディセーブル ( 入力に関係なく、出力をハイインピーダンスとする機能)を持つファンクションに限られます。つまり3ステート出力を持つ製品群(例:74LCX244、74LCX373など)になります。

出力トレラント機能を持つ製品リスト

トレラント機能を応用したレベルシフタ―(レベル変換)について入力トレラント機能を利用して、“H” 電圧を降圧電圧シフトすることができます。例えば前段がHCシリーズのロジックICで、VHCシリーズを使った 5V ⇒ 3.3Vの変換を考えます。

降圧の電圧変換を行うときに気を付けなければならない特性は以下になります。(数値はVHSシリーズの特性から抜粋)

  • 入力電圧(動作範囲) VIN(Max)  : 5.5 V
  • 前段の“L”レベルの最大値と変換を行う素子のローレベル入力電圧(電気的特性)VIL(Max)  : VCC x 0.3 V
  • 変換後の電圧系(例では3.3V)の電圧を変換用のCMOSロジックICの電源電圧とする

入力電圧の最大値はデータシートの動作範囲に記載されている入力電圧を超えてはいけません。また、入力電圧の“L”電圧の最大値が電気的特性のローレベル入力電圧VILの最大値より低い必要があります。
上記の内容を気を付ければ、図に示すように簡単にロジック信号のレベルシフトを行うことができます。
ただし、5V系と3.3V系ではスレッシュホールドの値が異なります。このことにより信号のDutyが変わることがあります。
この点が気になる場合、弊社の2電源レベルシフタ―を用いることによりDutyを維持したままレベルシフトをすることができます。

前段のHCシリーズの出力電圧規格,電圧変換を行うVHCシリーズの入力電圧規格
トレラント機能について教えてください
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