レベルシフト 第四回:反転型とオープンコレクタ

連載レベルシフタ第四回目の今回は、出力が反転するタイプの簡易レベルシフト回路とこの回路を内蔵しているオープンコレクタ出力タイプのICについてです。




反転型のレベルシフタの動作原理は、典型的なエミッタ接地回路です。






動作は入力論理を反転させるインバータとなります。
R2でプルアップする電圧を変更することで、出力電圧を変更できます。
下は、逆に5Vから3.3Vへレベルシフトした例です。






オープンコレクタ出力

さて、この出力段のエミッタ接地回路をデジタルICに内蔵した出力形式をオープンコレクタ出力といいます。




オープンコレクタ出力型ICの出力論理は"L"とハイインピーダンスである"Z"の2通りになります。したがって、"Z"のときの論理を確定するためにはプルアップが必要になります。

ちなみに、バイポーラトランジスタではなくFETで作られているICの場合はオープンコレクタではなくオープンドレインと呼ばれます。

プッシュプル(トーテムポール)出力

オープンコレクタ出力の対義語はプッシュプル出力、あるいはトーテムポール出力になります。いわゆる普通の出力のことです。




オープンコレクタ型ではシンク方向のみ出力インピーダンスが低くなりますが、プッシュプル型ではシンク・ソース両方向で出力インピーダンスが低くなります。

スリーステート(トライステート)

オープンコレクタとプッシュプルの両方を組み合わせたバッファとしてスリーステートバッファがあります。
代表的なスリーステートバッファは74HC125や74HC126です。




東芝セミコンダクターのデータシートから真理値表を抜粋




スリーステートバッファはレベルシフトよりもバスの切り替えに使われることが多いです。このために、74HC540/541といった専用のバスバッファも存在します。
スリーステートのことをトライステートとも呼びます。

オープンコレクタの耐圧

ただし、オープンコレクタ(オープンドレイン)型の出力ならいつでもレベルシフトに使えるとは限らないということには注意が必要です。実際のところ74HCシリーズでは、オープンドレイン出力であっても3.3V→5Vレベルシフトはできません。
これは、出力端子の定格電圧の問題です。

以下は、東芝セミコンダクタの74HC07のデータシートからの抜粋です。




出力電圧VOUTの項目を見ると、上限がVCC+0.5Vとなっていることがわかります。
この理由は、以前議論したレベルシフト 第三回:ダイオードクリップ型と5Vトレラントのエントリの中にある「5V入力トレラント機能」と似たような話になります。




上のシステム図も東芝セミコンダクタの74HC07のデータシートからの抜粋です。この図から読み取れるように出力のFETのドレインからVCCに向かってダイオードが挿入されています。このため、プルアップによってVCC以上の電圧を印加してもダイオードでクリップされてしまいます。

これに対して、スタンダードTTLである無印7407は低圧から高圧へのレベルシフトに使うことができます。(とはいっても、3.3Vではそもそも動作しませんが。)
以下が、テキサス・インスツルメンツの7407のデータシートからの抜粋です。







SN7407のOutput Voltage, Voの項目を見ると、VCCの値にかかわらず30Vまでとなっています。内部回路図のOutput Yのところを見てもダイオードが挿入されていないのがわかります。

目次


デジタル回路の簡易レベルシフト
レベルシフト 第一回:各パターン一覧
レベルシフト 第二回:分圧型と入力レベル
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
レベルシフト 第四回:反転型とオープンコレクタ
レベルシフト 第五回:非反転型とトランジスタの双方向性


tag: レベルシフト インターフェース 

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