CD4049UB и CD4050B — шесть инверторов и шесть буферов с понижением уровня

Выводы

Пары вход — выход: A (3) → G (2), B (5) → H (4), C (7) → I (6), D (9) → J (10), E (11) → K (12), F (14) → L (15). Расстановка досталась от CD4009UB и CD4010B, которые требовали двух питаний: TI называет CD4049UB и CD4050B их заменой вывод в вывод и подчёркивает, что вывод 16 внутри не подключён, поэтому в старых платах напряжение на нём ничему не мешает (разд. 7.1). В новых схемах об этом легко забыть — у соседних по серии CD4011 и CD4093 или CD4013 питание на последнем выводе.

Корпуса по таблице на с. 1: PDIP-16 (суффикс E, 19,30 × 6,35 мм), SOIC-16 (D, 9,90 × 3,91 мм), широкий SOIC-16 (DW, 10,30 × 7,50 мм), SO-16 (NS, 10,30 × 5,30 мм) и TSSOP-16 (PW, 5,00 × 4,40 мм). По перечню исполнений от 18.09.2026 в производстве CD4050BE, CD4050BDR, CD4050BNSR и CD4050BPWR, у CD4049UB — CD4049UBE, CD4049UBDR, CD4049UBDW, CD4049UBNSR и CD4049UBPWR; CD4050BDWR не рекомендован для новых разработок, а CD4050BD, CD4050BDT, CD4050BDW и CD4050BPW сняты с производства. Рабочий диапазон всех — −55…+125 °C. Отечественный функциональный аналог CD4050B — К561ПУ4, CD4049UB — К561ЛН2; их параметры по даташиту TI не проверены.

Параметры

Предельные режимы (разд. 5.1): напряжение VCC относительно VSS от −0,5 до 20 В, ток любого входа ±10 мА, кристалл до 150 °C. Защита от электростатики — ±1500 В по модели тела человека и ±1000 В по модели заряженного устройства. Рекомендуемые условия: VCC 3–18 В, −55…+125 °C. Характеристики — при 25 °C, если не указано иное (разд. 5.3–5.6):

Без нагрузки выход доходит до шин питания: ноль не выше 0,05 В, единица не ниже VCC − 0,05 В. Ток входа — не больше ±0,1 мкА при 25 °C и ±1 мкА при +85 и +125 °C (питание и вход 18 В). Ёмкость входа — 15 пФ тип. (22,5 пФ макс.) у CD4049UB и 5 пФ (7,5 пФ) у CD4050B. Задержки измерены при нагрузке 50 пФ и 200 кОм и фронте входа 20 нс. Тепловое сопротивление кристалл — среда: 49,5 °C/Вт у PDIP-16, около 82 °C/Вт у SOIC-16 и около 84 °C/Вт у SO-16, 108,9 °C/Вт у TSSOP-16 (CD4049UB; у CD4050B отличия в десятые доли).

Обратите внимание на несимметричность выхода: в нуле он принимает в несколько раз больший ток, чем отдаёт в единице. Отсюда фраза о двух нагрузках ТТЛ — входу ТТЛ ток нужно отдать именно в нуле. Наш вывод: нагрузку, которой нужен ток, — светодиод, вход оптрона, обмотку маленького реле через транзистор — подключают между плюсом питания и выходом, чтобы её включал ноль. Подробнее о направлениях тока — в статье «Втекающий и вытекающий ток».

Понижение уровня: вход выше питания

У большинства КМОП-микросхем вход защищён диодом на VCC, и напряжение на входе не должно превышать питание. CD4049UB и CD4050B в описании на с. 1 представлены иначе: единица на входе может быть выше напряжения VCC, когда микросхема работает преобразователем уровня. Рис. 6-4 даташита показывает именно такую схему — входы от КМОП-логики с уровнем 10 В, питание микросхемы 5 В, выход к логике 5 В. Таблица задержек (разд. 5.6) нормирует режимы VIN = 10 В и VIN = 15 В при VCC = 5 В: у CD4050B задержка в единицу — до 90 и 80 нс, в ноль — до 100 нс.

Однако в разд. 8.2.2 того же даташита сказано обратное: входы не выдерживают перенапряжения и должны быть ниже VCC из-за защитных диодов на VCC. Предела напряжения на входе в таблице предельных режимов нет совсем — только ток входа ±10 мА.

Схемы одного элемента на с. 1 того же даташита этой фразе тоже не соответствуют. На них у входа нарисованы только диоды от VSS к входу (до и после резистора R) и диоды между VSS и VCC, а диода от входа к VCC нет ни у CD4049UB, ни у CD4050B. Именно отсутствие такого диода и позволяет подавать на вход напряжение выше питания.

Наш вывод: режим понижения уровня подтверждён описанием, схемами входа на с. 1, таблицей характеристик и рис. 6-4, а фраза разд. 8.2.2 похожа на шаблонный текст из даташитов обычной логики, у которой диод на VCC есть. Пока TI не устранит противоречие, держитесь режимов, для которых есть числа: вход не выше 15 В при питании 5 В. Если источник сигнала может дать больше или к нему подключён длинный кабель, поставьте последовательный резистор: при 10 кОм даже 20 В лишних создадут ток 2 мА, впятеро меньше предела ±10 мА (наш расчёт). Для новых схем, где нужна гарантия, есть CD74HC4050: в его даташите напряжение входа до 15 В записано в рабочие условия, а до 16 В — в предельные режимы, независимо от питания 2–6 В.

5 В → 3,3 В: когда CD4050B, а когда CD74HC4050

Частая задача — подключить модуль на 3,3 В (дисплей, SD-карту, радиомодуль) к Arduino на 5 В. CD4050B с питанием 3,3 В формально подходит: рабочий диапазон начинается с 3 В, а на вход приходит 5 В — выше любого порога. Но характеристик при 3,3 В в даташите нет — только при 5, 10 и 15 В.

Наш расчёт: если масштабировать пороги CD4050B при 5 В (1,5 и 3,5 В — 30 и 70 % питания) на питание 3,3 В, единица гарантирована примерно от 2,3 В, ноль — до 1 В; это оценка, а не значение TI. Скорость при 3,3 В заведомо хуже, чем при 5 В, где задержка в единицу — до 140 нс. SPI-тактам 4 МГц соответствует полупериод 125 нс, поэтому для SPI CD4050B не годится. Для дисплея ILI9341 от Arduino на 5 В и SD-карт берут CD74HC4050 с питанием 3,3 В: та же расстановка выводов, задержка до 17 нс при 4,5 В и 50 пФ. Для медленных сигналов — UART до десятков килобит в секунду, кнопки, сигнал разрешения — достаточно и CD4050B.

В обратную сторону, 3,3 → 5 В, ни CD4050B, ни CD74HC4050 не помогут. У CD4050B при питании 5 В единица на входе — от 3,5 В. У CD74HC4050 TI даёт 3,15 В при питании 4,5 В и 4,2 В при 6 В, а при 5 В, по нашей оценке линейной интерполяцией, — около 3,5 В. Обе величины выше 3,3 В. Для подъёма уровня нужен буфер с входами ТТЛ, например 74AHCT125.

CD4049UB, CD4050B и CD74HC4050

Значения CD74HC4050 — по даташиту TI SCHS205I (данные Harris Semiconductor). Наш вывод: CD4050B нужен там, где питание выше 6 В или сигнал медленный; во всех задачах сопряжения с микроконтроллером на 3,3 В быстрее и предсказуемее CD74HC4050.

Светодиоды и другие нагрузки

Рис. 8-1 даташита — светодиод с резистором на выходе CD4049UB. Наш расчёт для красного светодиода (прямое напряжение примем 2 В), подключённого анодом к 5 В через резистор и катодом к выходу: гарантированный ток в нуле при 25 °C — 3,2 мА при 0,4 В, значит резистор (5 − 2 − 0,4) / 3,2 мА ≈ 810 Ом даёт ток около 3 мА при выходе не выше 0,4 В. С резистором 470 Ом ток будет около 5,5 мА — больше гарантированного, выход опустится не так глубоко, но микросхема при этом не перегружается: типичный ток при 0,4 В — 6,4 мА. При питании 15 В выход в нуле принимает от 24 мА при падении 1,5 В — это 36 мВт на выход, шесть выходов — около 0,22 Вт; на корпусе PDIP-16 с 49,5 °C/Вт кристалл нагреется на 11 °C (наш расчёт). Резистор считают в калькуляторе «Резистор для светодиода».

Питание и неиспользуемые входы

TI рекомендует конденсатор 0,1 мкФ у вывода VCC, при необходимости параллельно с 1 мкФ (разд. 8.3). Неиспользуемые входы подключают к VCC или VSS — свободный КМОП-вход дрейфует к середине питания и вызывает сквозной ток и случайные переключения (см. «Свободный вход»). Для инвертора без высоких токов и без понижения уровня TI советует обычный CD4069UB (разд. 7.1).

Расхождения в документации

• Напряжение на входе. Описание на с. 1, рис. 6-4 и таблица задержек (VIN = 10 и 15 В при VCC = 5 В) допускают единицу на входе выше VCC, а разд. 8.2.2 утверждает, что входы не выдерживают напряжения выше VCC из-за диодов на VCC. Но на схемах элементов на с. 1 диода от входа к VCC нет — только диоды от VSS к входу и между VSS и VCC. В таблице предельных режимов предела напряжения на входе нет.
• Таблица выводов CD4050B. Выходы CD4050B названы «Inverting output», хотя микросхема неинвертирующая; формулы G = A, H = B написаны без черты и правильны, табл. 7-2 тоже показывает выход без инверсии.
• Ток выхода при 5 В. Описание на с. 1 обещает IOL ≥ 3,3 мА при VOL ≤ 0,4 В и VCC = 5 В, а в таблицах при 25 °C минимум — 3,2 мА; 3,3 мА встречается только при VCC = 4,5 В и −55 °C, а при +85 и +125 °C минимум падает до 2,9 и 2,4 мА.
• Условие IDD. Строка тока покоя для входа 0 или 15 В записана с VCC = 4 В; по соседним строкам (5, 10, 20 В) должно быть 15 В.
• Ток в единице при 15 В. Ток IOH при VCC = 15 В нормирован при VOUT = 1,3 В — так измеряют ток нуля, а не единицы; по смыслу и по строкам для 5 и 10 В (4,6 и 9,5 В) напряжение должно быть близким к VCC.
• Ссылки на несуществующие строки. Разд. 8.2.2 отсылает к Δt/ΔV в рекомендуемых условиях и к пределу тока через VCC и GND в предельных режимах — таких строк в этих таблицах нет.
• Повтор таблиц. По истории ревизий VIH, VIL, IOH и IOL перенесены в рекомендуемые условия, но IOL остался и в таблице характеристик (разд. 5.5) с теми же числами.
• Обозначения корпусов. Подпись рис. 4-2 — «1G6-Pin»; PDIP в таблице на с. 1 обозначен N, в таблице тепловых сопротивлений — E; корпус NS назван «SO», а в перечне исполнений — «SOP». Размер PDIP на с. 1 записан как 6,35 × 19,30 мм (ширина × длина), хотя сноска говорит «длина × ширина».