74LSシリーズの入力電流

質問

74LS00というNAND　ICを用いて回路を作りました。

　見本書によると、74LS00の入力につけるプルアップ抵抗は、3.3キロΩで良いと書かれていました。　プルアップなので、スイッチを開いてる間は、５Ｖが掛かった状態で、ＩＣには論理”１”がかかってます。　

　一方、スイッチを閉じたときに、論理”０”をＩＣに入力させたいので、スイッチはＧＮＤと接続されて、論理”０”が伝わるというのは分かりました。

　しかし、74LS00の規格表をみていると、74ls00のＩＩＬ（入力電流）の最大値は、0.4mAと記されてます。

　　となると、スイッチを閉じたとき、電流は、プルアップ抵抗を過ぎると、オームの法則より、5（Ｖ）÷3300(Ω）≒1.5mA です。　規格を超えてますよね？

　　これでは、ＩＣがもしかしたら壊れてしまうのではないか？と思うのですが、実際正しく動作することを確認しました。

　　これってどうして、プルアップ抵抗は３．３ｋΩでいいんでしょうか？

回答No.6

angkor_h · ベストアンサー

質問者：masa888rさんヘ
No.4です。
>抵抗が高すぎると、ノイズが入りやすくなり、抵抗が小さくなると消費電力が大きくなるということで、
⇒ロジック回路では、設計全般に対する基本的な考え方のひとつです。

>ちょうどいい値を決めたものが3.3ｋΩなのでは？？　とか勝手に思ってしまったのですが、
⇒TTL入力のプルアップ抵抗値(3.3ｋΩ)というのは、レベル"high"を補償する最適(最大)値ということで、IC内部の回路部品諸元や動作条件(電圧や電流)から決まります。この入力回路を持ったTTLに特化した値とおもってください。

>スイッチの接点電流までは考慮しなくても良いのかな？
⇒当然必要です。スイッチには耐電圧(使用限度電圧)や、最低電流と最大電流があるので、その間で小さすぎて誤動作せずに、大きすぎて焼けずに、の範囲であることの確認が必要です(これは概ね大雑把ですが）。
今回はTTL利用が前提なので、プルアップ抵抗3.3kオーム利用から、スイッチ仕様は、耐圧5V以上、最低オン電流1mA以下　が必要ということになります。
あくまでも、スイッチは、TTL回路設計にあわせて選択(若しくは確認)、です。

以上、ご参考に。

回答No.5

esezou

masa888rさん、こんにちは。
ここは議論の場で無いので簡素に。
質問者さんは、ＩＣの入力と抵抗ＳＷのインタフェース条件について質問されたのでその趣旨でお答えしました。
ＴＴＬの出力と入力間に入れるプルアップ、プルダウンに関しては、ＮＯ２さんが仰るように全く条件が異なりますので、別質問してください。

ロジックの論理正負の話はしておりません、あくまでロジック「電圧」の話です。
ロジックＩＣに内部抵抗という概念は合わないと思います。誤差を無視するため「規格」があります。
ＴＴＬといえども未使用入力は開放で使用しないことを強く勧めます。
僭越ながらこの道３０年の専門家ですので私に対する説明は不要です。

せっかく勉強されたこのような知識は、ＣＭＯＳ全盛の現在、あまり意味のないものになりつつあります。
現代ＣＭＯＳロジックの設計は旧来ＴＴＬのそれとずいぶん異なりますので最新の知見で勉強されたほうが良いでしょう。

回答No.4

angkor_h

再び、ANo.2です。ANo.3さんに反論です。
ご質問者の方へ；話がそれてすみません。最後にします。

TTL/LS-TTLに於けるロジックの電圧レベルは、「Ｌowは0.4V以下、Ｈighは2.4V以上」が一般的な規格で、ANo.3さんの言うとおりですが、このどちらをロジック"0"(又はロジック"1")にするかは定義は有りません。一般的には、アクティブ側である、電圧Ｌow（0.4V以下)をロジック"1"としています。

>>この値は、IC内部抵抗より充分小さいことが必要なことから
>概念としてはあっていますが、違います。ロジックＩＣでははっきり規定（計算可能）されています。
TTLの入力抵抗(電流吐き出し時の電源側抵抗分))は保証されたものではありません。なので、空きゲート入力はプルアップ抵抗付けが推奨されているのです。プルアップは電力消費が無い側であり、プルダウンでもかまいません。これによりノイズによる誤動作が無く安定します。
応用回路ではプルアップには数kオームが採用(推奨)されていますが、これが「IC内部抵抗の誤差による影響を受けないところの、IC内部抵抗より充分小さい」、且つ、この入力をTTL出力でドライブしたときの、「TTL出力電圧を飽和させるに充分な電流を流しうる抵抗」ということです。但し、後者は出力ゲートの内部回路によっては変わるので、内部回路に応じた設計が必要です、念のため。

ついでですが、入力をスイッチとしたときの注意は、スイッチのオン抵抗は、プルアップ抵抗の概算1/10以下(残留電圧0.4V以下)が必要です。通常は心配ありませんが、商品設計や誤動作解析では気配り(スイッチの規格を確認)が必要です。

お礼

お二方とも、ご回答ありがとうございます。

　とりあえず、IILに関する電流のことは理解できました。

　お二方のご回答も含めて、昨夜インターネットで色々調べて見ました。
　自分なりに、３．３ｋΩにした理由をちょっとまとめてみたんですが。。。
　私が注目したのは、esezouさんのおっしゃっていた、IIHからプルアップ抵抗値を推測するということで、
　IIH=20μＡ　プルアップ抵抗を通ったときに起こりうるであろう電圧降下=0.1V と仮定し(実際に抵抗に入る前と通った後の電位を調べてみると電位差は０Ｖでした）
　　０．１V/20μA＝５ｋΩ
　５ｋΩのプルアップが入っていれば、０．１Ｖまでの電圧降下なら５ｋΩで十分。
　抵抗が高すぎると、ノイズが入りやすくなり、抵抗が小さくなると消費電力が大きくなるということで、ちょうどいい値を決めたものが3.3ｋΩなのでは？？　とか勝手に思ってしまったのですが、こういう考え方でもいいんでしょうか？
　学校の実験なので、スイッチまでは詳しくはやらなかったので、スイッチの接点電流までは考慮しなくても良いのかな？ということでこういう結論が出たのですが。

回答No.3

esezou

masa888rさん、再びこんにちは。
TTLの使い方を正確に理解してください。
IILは負の値ですから入力端子から外部に流れ（漏れ）出す可能性のある最大値を意味します。最大電流時に外部電圧が０．４V以下を維持しないとロジック０（L）と判定しませんという意味です。
IIHは正の値で、入力端子に流れ込む最大電流です。最大電流時に外部電圧が２．４V以上を維持しないとロジック１（H）と判定しません。
なぜこのような規定があるかというと、外部の電圧源の能力に限界がある場合、例えば他のロジックICの出力や抵抗を繋いだ電源の場合、これらの電流がこのICに流入流出したとき、IC端子の電圧を規定値内に収める必要があるよ、という数値を決めているからです。
具体的には、LS－TTLの出力能力はロジック１（IOH)で-400uA（負号は吐き出しを意味）ロジック０（IOL）で8mAです。
LS－TTL同士を接続する場合、入力端子はロジック１のとき20uA吸い込むので20個しか繋げませんよ、ということを意味します。
一般にスイッチの電流容量は、ロジックの出力電流より大きいので、この事を考慮する必要はありませんが、スイッチに何アンペアも流すのは無駄だし危険なので、電流制限抵抗を入れるのです。
このとき、あまり大きな抵抗値値だと、先のＩＣに流れる電流を考慮しなければならず、、プルアップは概ね１００ＫΩ以下、プルダウンは概ね１ＫΩ以下となると言うことです。これらの抵抗はスイッチへの電流制限をしているので、ＩＣの入力電流とは無関係です。
出力がＣＭＯＳの場合（ＣＰＵ等、現在使われているロジックＩＣの殆ど）はＩＯＨが４ｍＡ以上あるので、入力電流だけの計算上は２００個繋げます（実際は容量があるので５０個位が限度）。
因みに
>電圧high/lowとロジック0/1の対比は、設計者が勝手に決める
ことは出来ず、ＬＳ－ＴＴＬの場合、Ｌは０．４Ｖ以下、Ｈは２．４Ｖ以上と決まっています（例外有り）。ＣＰＵ等ＣＭＯＳでは、電源電圧の何％以上以下という規定になることが多いです。
これらは個別ＩＣのデータシートに書かれていますので、確認してください。
>この値は、IC内部抵抗より充分小さいことが必要なことから
概念としてはあっていますが、違います。ロジックＩＣでははっきり規定（計算可能）されています。ＯＰアンプに使う抵抗とは違います。

結論：ロジックＩＣの入力端子は、外部の回路に関わらず電流が流れるのでその事を考慮した電圧値を用意する必要がある。
入力電圧が規定値内ならば入力電流を「制限」することは出来ず、その必要もない。

回答No.2

angkor_h

>５Ｖが掛かった状態で、ＩＣには論理”１”がかかってます。　
>ＧＮＤと接続されて、論理”０”が伝わるというのは分かりました。
一概には言えないので注意してください。
一般的なTTL/LS-TTLロジックの入力は内部で等価的にプルアップされているので、何もしないオープン状態=ロジック"0"(電圧high)、何かしたとき(OVにする)=ロジック"1"(電圧low)が普通です。
CPUで「"1"を出力せよ」を実行してそれをテスターで計ると0Vだったりします。
要は、電圧high/lowとロジック0/1の対比は、設計者が勝手に決めます(但し明確化(定義)します)。ロジック0/1とは、その"0"と"1"の数値の大きさではなく、状態がどっち？というだけです。

>74ls00のＩＩＬ（入力電流）の最大値は、0.4mAと記されてます。
マイナスが付いていませんか?　これはICの吐き出し(0Vに流れ込む)電流です。外付けプルアップ抵抗の電流では有りません。

>5（Ｖ）÷3300(Ω≒1.5mA です。　規格を超えてますよね？
1.5mAは外につけた抵抗3300(Ω）に流れる電流で、IC内部には流れませんよね。

>プルアップ抵抗は３．３ｋΩ
入力端子はIC内部で少なからず(非常に高抵抗ではあるが)電源側と0V側との両者に繋がっているので入力が不安定です。「何もしないときはロジックhigh(電源側)を入力しておいてください」ということでプルアップ抵抗が必要です。この値は、IC内部抵抗より充分小さいことが必要なことから、３．３ｋΩが推奨されています。10kオームでも大丈夫です。

回答No.1

esezou

masa888rさん、今晩は。
ＶｃｃからＩＣの入力に繋ぐ抵抗をプルアップ抵抗、ＩＣの入力からＧＮＤへオンオフスイッチを繋いだ、ということですね。

スイッチを閉じた時、ＩＣからＧＮＤに対し電流が流れ出します。規格表に－０．４ｍＡと書いてあるでしょう。
従って、抵抗に何ｍＡ流れようと関係なく、最大０．４ｍＡ流れるのです。
この入力回路Lに関する限りプルアップ抵抗の下限値は、スイッチの電流容量に依存し、IIL　とは無関係です。
スイッチの接点電流は通常１ｍＡ～１０ｍＡ程度に選びます。
プルアップ抵抗の上限値は　IIH　に依存し、ＬＳシリーズの場合、１００ＫΩ程度になります。
回路がプルダウンなら、IIL　に依存し、ＬＳシリーズの場合、１ＫΩ程度以下になります。
結論：プルアップ抵抗　３．３ｋΩ　はスイッチ接点電流から求めた、ので概ね妥当。

お礼

ありがとうございます。　ということは、抵抗３．３ｋΩと決めるのは、スイッチ接点電流と最大抵抗値をIIHから求めたのであって、ＩＣの入力電流は全然関係ないんですね。

　ＩＩＬというのは、ＧＮＤに１．５ｍAは流れてしまうのだけれども、流れ出し電流として最大０．４ｍAまでなら大丈夫だよってことで解釈していいんですね？