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レベルシフト 第三回:ダイオードクリップ型と5Vトレラント

デジタル回路の簡易レベルシフト第三回の今回は、広い電圧範囲を狭い電圧範囲へと変換する方法の二つ目であるダイオードによるクリップ回路です。

5V→3.3V

回路図とLTspiceによるシミュレーションは以下のようになります。






入力の5V系デジタル信号が緑のライン、レベル変換後の出力が青のラインです。

このグラフに対して、3.3V電源電圧を赤の補助線で書き込んだものが下のグラフになります。




この回路は、変換後の電圧が受信側のICの電源電圧(3.3V)よりも高くなってしまう欠点があります。
この"H"レベルのときの青のラインと赤のラインの差は、ダイオードD1の順方向電圧Vfの影響です。"H"レベルのときの等価回路が以下の回路図です。




この回路の動作原理は、3.3Vを超える電圧がoutにかかったときに3.3V電源へダイオードを通じて電流を流すというものです。このときにR1が電流の制限を行います。

±5V→3.3V

このダイオードクリップ型の利点としては、受信側の電源電圧範囲が送信側の出力電圧範囲の内側にあるならその値にかかわらずレベル変換できる点にあります。

次の例は、±5Vから3.3Vへのレベル変換回路です。GND側にもダイオードD2を入れることにより同じ方式でレベル変換が出来ます。






当然ながら、ダイオードのVfの影響が"L"レベル側にも見られます。

デジタルIC入力段の寄生ダイオード

74HCシリーズ等では、入力段の寄生ダイオードを積極的に利用することでクリップダイオードD1,D2を省略することが出来ます。

下の図は、74HCシリーズのゲートの内部回路のうち入力段を示したものです。




この回路から見て分かるとおり、受信側がこのようなICである場合は、わざわざ外部にダイオードをつけなくともよいことが分かります。




この方法でRS232Cレシーバを構成した例がELMRS-232C - TTLレベルの簡易変換方法でも紹介されています。

5V入力トレラント機能

一方で、入力段に寄生ダイオードを持たない入力トレラント機能を持ったロジックICも存在します。一例として4000シリーズ標準ロジックの4050を挙げます。
受信側にこのようなICを用いれば、電流制限抵抗さえ省略することが出来ます。

以下は、東芝セミコンダクターのTC4000BPのデータシートからの抜粋です。




入力電圧が0~18Vと電源電圧に依存していないことが分かります。
このため、3.3Vで動作させている4050に5V系の出力を直結しても4050は壊れることなく正常にレベルシフトを行います。
下図が、非トレラントICとトレラントICの入力段を比較したものです。




図のように、トレラントICは入力端子からVCCへの寄生ダイオードが入っていません。このため、高電圧を電流制限抵抗を介さず直結してもVCCへ過電流が流れ込むことが無いのです。

前半では、高電圧をかけるためにはダイオードによるクリップが必要であると書いておきながら、後半の入力トレラント機能を持つICではダイオードが入っていないから直接高電圧をかけることが出来るという主張をすることは、一見矛盾をはらんでいるように見えるかもしれません。
しかし、CMOSデジタルICの入力端子に高電圧をかける場合は、入力段のFETのゲート耐圧が問題の本質です。74HCシリーズ等の非トレラントICは、この耐圧が低いため寄生ダイオードが保護回路の役割を果たしています。一方で、4050の様なトレラントICはゲート耐圧が高く作られているので寄生ダイオードによる保護が必要ないというわけです。



tag: LTspice レベルシフト インターフェース 

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