ファンアウト

ファンアウト（Fan-out）とは

ファンアウトとは、論理ゲートの出力端子に接続できる入力端子の最大数のことです。この値は、論理回路の設計において、あるゲートの出力がどれだけのゲートを駆動できるかを示す重要な指標となります。ファンアウトが大きければ大きいほど、一つの出力でより多くのゲートを駆動できるため、回路設計の柔軟性が高まります。

TTL（Transistor-Transistor Logic）におけるファンアウト

TTL回路では、出力電流の制約からファンアウトが決定されます。TTLの出力は、ソース電流（出力から入力へ流れる電流）とシンク電流（入力から出力へ流れ込む電流）に制限があります。ファンアウトは、出力High時と出力Low時で異なる値を持つため、それぞれのケースで計算し、小さい方の値が最終的なファンアウトとなります。

TTLのファンアウト計算

IOH（Output High Current）: 出力回路が供給できる最大ソース電流
IOL（Output Low Current）: 出力回路が吸収できる最大シンク電流
IIH（Input High Current）: 入力回路をHighにするために必要な電流
IIL（Input Low Current）: 入力回路をLowにするために必要な電流

出力High時のファンアウト

出力がHighの時、入力側にはIIHの電流が流れ込みます。この時、出力側はIOHの電流を供給する必要があります。したがって、出力High時のファンアウトは、次の式で求められます。


ファンアウト（出力High時） = IOH / IIH


出力Low時のファンアウト

出力がLowの時、入力側からIILの電流が出力側に流れ込みます。この時、出力側はIOLの電流を吸収する必要があります。したがって、出力Low時のファンアウトは、次の式で求められます。


ファンアウト（出力Low時） = IOL / IIL


最終的なファンアウト

上記で計算した2つのファンアウトのうち、小さい方の値が、TTL回路の最終的なファンアウトとなります。これは、どちらか一方のケースで制限を受けると、その値以上のファンアウトは実現できないためです。

CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）におけるファンアウト

CMOS回路では、入力端子にはほとんど電流が流れません。そのため、TTLのように電流制限でファンアウトが決定されることはありません。しかし、CMOSでは、出力回路が入力回路の入力容量を充電する必要があるため、その容量がファンアウトに影響します。

CMOSのファンアウト計算

CL（Load Capacitance）: 出力回路の負荷容量。接続される入力回路の入力容量の合計値です。
CIN（Input Capacitance）: 入力回路の入力容量

CMOS回路のファンアウトは、出力回路の負荷容量と入力回路の入力容量の比で表されます。次の式でファンアウトが算出されます。


ファンアウト = CL / CIN


これは、出力回路がどれだけの入力容量を充電できるかを示しており、結果的に接続できる入力ゲートの数を決定づけます。

ファンイン（Fan-in）との関係

ファンアウトは出力側の能力を示すのに対し、ファンインは入力側の能力を示す指標です。ファンインは、一つの論理ゲートが受け付けることができる入力信号の数を表します。ファンアウトとファンインは、論理回路を設計する上で重要なパラメータであり、これらを考慮して回路構成を決定する必要があります。

まとめ

ファンアウトは、論理ゲートの出力がどれだけの入力ゲートを駆動できるかを示す重要な指標です。TTL回路では電流制約、CMOS回路では容量制約によって算出方法が異なります。適切なファンアウトを考慮することで、安定した論理回路の設計が可能となります。

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