IC入力端子を守る2つの保護ダイオード

過電圧は電源とグラウンドへスルー・パス

抵抗と組み合わせる

アナログやディジタルのICは，入力電圧の範囲が電源電圧から0Vまでに制限されていることが多いです．入力端子に過大な電圧が加わると，内部のトランジスタが破壊されることがあります．そのため，多くのICでは入力端子の内部に2つの保護ダイオードが組み込まれています．これらのダイオードは，入力電圧が規定範囲を超えた際に，電流を電源ラインまたはグラウンドへ逃がす働きをします．

入力電圧$V_{in}$が電源電圧$V_{DD}$を超える場合，上側の保護ダイオードが順方向に導通します．これにより，余分な電流は電源ラインへバイパスされ，入力端子に過電圧が印加されないようになります．逆に，$V_{in}$が0Vより低下した場合には，下側のダイオードがONとなり，電流がグラウンド方向に流れます．これにより，入力端子は0V付近にクランプされ，負電圧による破壊を防ぎます．

この2つの保護経路によって，入力端子は「5Vを超える領域」や「0Vを下回る領域」においても安全に保護されます．いずれの方向でも，電圧はおおよそダイオードの順方向降下電圧（約0.7V）だけ制限されるため，実際の端子電圧はおよそ$V_{DD}+0.7$Vまたは?0.7V付近にクリップされます．

実際の回路では，IC内部の保護ダイオードだけに頼らず，外付けの抵抗を併用することが一般的です．抵抗を直列に挿入することで，過電圧時の電流を制限し，ダイオードやIC内部の構造に過大なストレスがかからないようにします．

1. 過電圧保護：入力端子と信号源の間に抵抗を入れて電流を制限
2. 負電圧保護：グラウンド側ダイオードと併用して安全動作を確保
3. 電源安定化：$V_{DD}$ライン側への電流注入を抑え，他回路への影響を軽減

抵抗値が大きすぎると応答速度が低下するため，信号周波数や入力インピーダンスの要件に応じて適切な値を選ぶ必要があります．高精度A-Dコンバータなどでは，入力容量との組み合わせで時定数が形成されるため，過渡応答を考慮して抵抗値を設計します．

保護設計の考え方

入力電圧の過大・過小は一瞬のサージや誤配線で簡単に発生します．IC内部の保護ダイオードは1次的な防御として機能しますが，繰り返しのストレスには耐えられない場合もあります．そのため，外付け素子を組み合わせた2段構えの設計が重要です．

過電圧を電源とグラウンドへスルー・パスする2つの保護ダイオードは，ICを守る最後の砦です．電圧の方向と電流経路を意識し，設計段階で電源ラインやグラウンドのインピーダンスも含めて検討することが，安全で信頼性の高い電子回路設計につながります．

〈著：ZEPマガジン〉

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参考文献

1. ［VOD］高速＆エラーレス！5G×EV時代のプリント基板＆回路設計 100の要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
2. ［VOD］ Before After！ ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】/【IoT・無線・通信編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
3. ［Book/PDF］デシベルから始めるプリント基板EMC 即答200，ZEPエンジニアリング株式会社．
4. ［VOD/KIT］ポケット・スペアナで手軽に！基板と回路のEMCノイズ対策 10の定石，ZEPエンジニアリング株式会社．
5. ［VOD］事例に学ぶ放熱基板パターン設計 成功への要点，ZEPエンジニアリング株式会社．