ในอิเล็กทรอนิกส์ดิจิทัลแฟนเอาต์ (fan-out)คือจำนวนอินพุตของเกตที่ถูกขับเคลื่อนด้วยเอาต์พุตของเกตตรรกะเดี่ยวอีกตัว หนึ่ง

ในการออกแบบส่วนใหญ่ วงจรลอจิกเกตจะถูกเชื่อมต่อกันเพื่อสร้างวงจรที่ซับซ้อนยิ่งขึ้น แม้ว่าอินพุตของลอจิกเกตแต่ละตัวจะไม่สามารถรับข้อมูลจากเอาต์พุตได้มากกว่าหนึ่งตัวในเวลาเดียวกันโดยไม่ทำให้เกิดการแย่งชิงทรัพยากร แต่โดยทั่วไปแล้วเอาต์พุตหนึ่งตัวมักจะเชื่อมต่อกับอินพุตหลายตัว เทคโนโลยีที่ใช้ในการสร้างลอจิกเกตมักจะอนุญาตให้เชื่อมต่ออินพุตของเกตจำนวนหนึ่งเข้าด้วยกันโดยตรงโดยไม่ต้องใช้วงจรเชื่อมต่อเพิ่มเติม ค่าfan-out สูงสุดของเอาต์พุตจะวัดความสามารถในการขับโหลดของมัน นั่นคือจำนวนอินพุตของเกตประเภทเดียวกันที่มากที่สุดที่สามารถเชื่อมต่อกับเอาต์พุตได้อย่างปลอดภัย

โดยปกติแล้ว ขีดจำกัดสูงสุดของจำนวนเอาต์พุต (fan-out) จะระบุไว้ในเอกสารข้อมูลของผู้ผลิตสำหรับตระกูลลอจิกหรืออุปกรณ์ที่กำหนด ขีดจำกัดเหล่านี้ตั้งอยู่บนสมมติฐานว่าอุปกรณ์ที่ถูกขับเคลื่อนเป็นสมาชิกของตระกูลเดียวกัน

เมื่อมีการเชื่อมต่อตระกูลลอจิกที่แตกต่างกันสองตระกูล จำเป็นต้องมีการวิเคราะห์ที่ซับซ้อนกว่าการคำนวณ fan-in และ fan-out โดยทั่วไปแล้ว fan-out จะถูกกำหนดโดยกระแสแหล่งจ่ายและกระแสรับสูงสุดของเอาต์พุต และกระแสแหล่งจ่ายและกระแสรับสูงสุดของอินพุตที่เชื่อมต่อ อุปกรณ์ขับเคลื่อนจะต้องสามารถจ่ายหรือรับกระแสที่เอาต์พุตได้เท่ากับผลรวมของกระแสที่ต้องการหรือจ่าย (ขึ้นอยู่กับว่าเอาต์พุตเป็นระดับแรงดันไฟฟ้าลอจิกสูงหรือต่ำ) จากอินพุตที่เชื่อมต่อทั้งหมด ในขณะที่ยังคงรักษาข้อกำหนดแรงดันเอาต์พุตไว้ สำหรับแต่ละตระกูลลอจิก โดยทั่วไปแล้วผู้ผลิตจะกำหนดอินพุต "มาตรฐาน" พร้อมกระแสอินพุตสูงสุดที่แต่ละระดับลอจิกและ fan-out สำหรับเอาต์พุตจะคำนวณจากจำนวนอินพุตมาตรฐานเหล่านี้ที่สามารถขับเคลื่อนได้ในกรณีที่เลวร้ายที่สุด (ดังนั้น จึงเป็นไปได้ที่เอาต์พุตจะสามารถขับอินพุตได้มากกว่าที่ระบุไว้โดย fan-out แม้แต่กับอุปกรณ์ในตระกูลเดียวกัน หากอุปกรณ์ที่ถูกขับนั้นใช้กระแสในการรับและ/หรือจ่ายกระแสน้อยกว่าอุปกรณ์ "มาตรฐาน" ในตระกูลนั้น ตามที่ระบุไว้ในเอกสารข้อมูล) ท้ายที่สุดแล้ว การที่อุปกรณ์มี fan-out เพียงพอที่จะขับอินพุตชุดหนึ่ง (ด้วยความน่าเชื่อถือที่รับประกันได้) หรือไม่นั้น จะพิจารณาจากผลรวมของกระแสแหล่งจ่ายต่ำสุด (สูงสุด) ของอินพุตทั้งหมดที่ระบุไว้ในเอกสารข้อมูลของอุปกรณ์ที่ถูกขับ ผลรวมของกระแสรับสูงสุด (สูงสุด) ของอินพุตทั้งหมดของอุปกรณ์เหล่านั้น และเปรียบเทียบผลรวมเหล่านั้นกับกระแสรับต่ำสุดและกระแสแหล่งจ่ายสูงสุดของเอาต์พุตที่รับประกันของอุปกรณ์ขับตามลำดับ หากผลรวมทั้งสองอยู่ในขีดจำกัดของอุปกรณ์ขับ แสดงว่าอุปกรณ์นั้นมีความสามารถในการขับอินพุตเหล่านั้นบนอุปกรณ์เหล่านั้นเป็นกลุ่มได้ และมิฉะนั้นก็ไม่มี ไม่ว่าผู้ผลิตจะระบุ fan-out ไว้เท่าใดก็ตาม อย่างไรก็ตาม สำหรับผู้ผลิตที่มีชื่อเสียง หากการวิเคราะห์ในปัจจุบันแสดงให้เห็นว่าอุปกรณ์ไม่สามารถขับเคลื่อนอินพุตได้ จำนวนเอาต์พุตก็จะสอดคล้องกัน

เมื่อต้องการการสลับสัญญาณความเร็วสูง อิมพีแดนซ์กระแสสลับของเอาต์พุต อินพุต และตัวนำระหว่างกัน อาจลดกำลังขับที่มีประสิทธิภาพของเอาต์พุตลงอย่างมาก และการวิเคราะห์กระแสตรงนี้อาจไม่เพียงพอ โปรดดูAC Fan-outด้านล่าง

วงจรลอจิกที่สมบูรณ์แบบจะมีอิมพีแดนซ์อินพุต เป็นอนันต์ และอิมพีแดนซ์เอาต์พุตเป็นศูนย์ ทำให้เอาต์พุตของวงจรสามารถขับกระแสไปยังอินพุตของวงจรได้ไม่จำกัดจำนวน อย่างไรก็ตาม เนื่องจากเทคโนโลยีการผลิตในโลกแห่งความเป็นจริงมีคุณลักษณะที่ไม่สมบูรณ์แบบ จึงจะถึงขีดจำกัดที่เอาต์พุตของวงจรไม่สามารถขับกระแสไปยังอินพุตของวงจรถัดไปได้อีกต่อไป การพยายามทำเช่นนั้นจะทำให้แรงดันไฟฟ้าลดลงต่ำกว่าระดับที่กำหนดไว้สำหรับระดับลอจิกบนสายไฟนั้น ทำให้เกิดข้อผิดพลาด

ค่าแฟนเอาต์ (Fan-out) คือจำนวนอินพุตที่สามารถเชื่อมต่อกับเอาต์พุตได้ก่อนที่กระแสไฟฟ้าที่อินพุตต้องการจะเกินกระแสไฟฟ้าที่เอาต์พุตสามารถจ่ายได้ในขณะที่ยังคงรักษาระดับตรรกะที่ถูกต้อง ค่ากระแสไฟฟ้าอาจแตกต่างกันสำหรับสถานะตรรกะศูนย์และตรรกะหนึ่ง ในกรณีนั้นเราต้องเลือกคู่ที่ให้ค่าแฟนเอาต์ต่ำกว่า ซึ่งสามารถแสดงทางคณิตศาสตร์ได้ดังนี้

${\displaystyle {\text{DC Fan-out}}=\operatorname {min} \left(\left\lfloor {\frac {I_{\text{out high}}}{I_{\text{in high}}}}\right\rfloor ,\left\lfloor {\frac {I_{\text{out low}}}{I_{\text{in low}}}}\right\rfloor \right)}$

ฟังก์ชัน floor อยู่ที่ไหน${\displaystyle \lfloor \;\rfloor }$

จากตัวเลขเหล่านี้เพียงอย่างเดียว วงจรลอจิก TTLมีจำนวนเอาต์พุตจำกัดเพียง 2 ถึง 10 ขึ้นอยู่กับชนิดของเกต ในขณะที่ เกต CMOSมีเอาต์พุตกระแสตรง (DC fan-out) ที่โดยทั่วไปแล้วสูงกว่าที่อาจเกิดขึ้นในวงจรจริง (เช่น การใช้ข้อมูลจำเพาะของ NXP Semiconductor สำหรับชิป CMOS ซีรีส์ HEF4000ที่อุณหภูมิ 25 °C และแรงดัน 15 V จะได้ค่า fan-out สูงถึง 34,000)

อย่างไรก็ตาม อินพุตของเกตจริงนั้นมีทั้งความจุและความต้านทานต่อรางจ่ายไฟความจุนี้จะทำให้การเปลี่ยนเอาต์พุตของเกตก่อนหน้าช้าลง และทำให้เกิดความล่าช้าในการส่งสัญญาณ เพิ่มขึ้น ส่งผลให้แทนที่จะกำหนดจำนวนเอาต์พุตที่แน่นอน นักออกแบบต้องเผชิญกับความสมดุลระหว่างจำนวนเอาต์พุตและความล่าช้าในการส่งสัญญาณ (ซึ่งส่งผลต่อความเร็วสูงสุดของระบบโดยรวม) ผลกระทบนี้จะน้อยลงในระบบ TTL ซึ่งเป็นเหตุผลหนึ่งที่ทำให้ TTL ยังคงมีข้อได้เปรียบด้านความเร็วเหนือ CMOS มาเป็นเวลาหลายปี

บ่อยครั้งที่สัญญาณเดียว (เช่น สัญญาณนาฬิกา) จำเป็นต้องขับเคลื่อนอุปกรณ์มากกว่า 10 ตัวบนชิป แทนที่จะต่อสายเอาต์พุตของเกตไปยังอินพุตที่แตกต่างกัน 1000 ตัว นักออกแบบวงจรพบว่าการใช้โครงสร้างแบบต้นไม้ (เช่น โครงสร้างต้นไม้ของสัญญาณนาฬิกา ) จะทำให้การทำงานเร็วขึ้นมาก ตัวอย่างเช่น ให้เอาต์พุตของเกตนั้นขับเคลื่อนบัฟเฟอร์ 10 ตัว (หรือเทียบเท่ากับบัฟเฟอร์ที่มีขนาดใหญ่กว่าบัฟเฟอร์ขนาดเล็กที่สุด 10 เท่า) บัฟเฟอร์เหล่านั้นขับเคลื่อนบัฟเฟอร์อีก 100 ตัว (หรือเทียบเท่ากับบัฟเฟอร์ที่มีขนาดใหญ่กว่าบัฟเฟอร์ขนาดเล็กที่สุด 100 เท่า) และบัฟเฟอร์สุดท้ายเหล่านั้นจะขับเคลื่อนอินพุตที่ต้องการ 1000 ตัว ในระหว่างการออกแบบทางกายภาพเครื่องมือออกแบบ VLSI บางตัวจะทำการแทรกบัฟเฟอร์เป็นส่วนหนึ่งของการ ออกแบบความสมบูรณ์ของสัญญาณ

ในทำนองเดียวกัน แทนที่จะต่อสายบิตเอาต์พุตทั้ง 64 บิตเข้ากับเกต NOR 64 อินพุตตัวเดียว เพื่อสร้างแฟล็ก Zบน ALU 64 บิต นักออกแบบวงจรพบว่าการใช้โครงสร้างแบบต้นไม้จะทำให้การทำงานเร็วขึ้นมาก ตัวอย่างเช่น ให้เกต NOR 8 อินพุตสร้างแฟล็ก Z และเกต OR 8 อินพุตสร้างอินพุตแต่ละตัวของเกต NOR 8 อินพุต

ชวนให้นึกถึงเศรษฐกิจฐานรากการประมาณค่าความล่าช้าทั้งหมดของต้นไม้ดังกล่าว—จำนวนขั้นตอนทั้งหมดคูณด้วยความล่าช้าของแต่ละขั้นตอน—ให้ค่าที่เหมาะสมที่สุด (ความล่าช้าน้อยที่สุด) เมื่อแต่ละขั้นตอนของต้นไม้ถูกปรับขนาดด้วยeประมาณ 2.7 ผู้ที่ออกแบบวงจรรวมดิจิทัลมักจะแทรกต้นไม้เมื่อใดก็ตามที่จำเป็นเพื่อให้ fan-in และ fan-out ของเกตทุกตัวบนชิปอยู่ระหว่าง 2 ถึง 10 ^{[ 1 ]}

ดังนั้น การกระจายสัญญาณแบบไดนามิกหรือกระแสสลับ (AC fan-out) ไม่ใช่กระแสตรง (DC fan-out) จึงเป็นปัจจัยจำกัดหลักในหลายกรณีการใช้งานจริง เนื่องจากข้อจำกัดด้านความเร็ว ตัวอย่างเช่น สมมติว่าไมโครคอนโทรลเลอร์มีอุปกรณ์ 3 ตัวบนสายแอดเดรสและสายข้อมูล และไมโครคอนโทรลเลอร์สามารถขับความจุบัสได้ 35 pF ที่ความเร็วสัญญาณนาฬิกาสูงสุด หากแต่ละอุปกรณ์มีความจุอินพุต 8 pF ความจุของเส้นทางเดินสัญญาณจึงอนุญาตได้เพียง 11 pF เท่านั้น (โดยปกติแล้ว เส้นทางเดินสัญญาณบนแผงวงจรพิมพ์จะมีค่า 1-2 pF ต่อนิ้ว ดังนั้นในกรณีนี้ เส้นทางเดินสัญญาณจึงยาวได้สูงสุด 5.5 นิ้ว) หากไม่สามารถทำตามเงื่อนไขความยาวเส้นทางเดินสัญญาณนี้ได้ ไมโครคอนโทรลเลอร์จะต้องทำงานที่ความเร็วบัสที่ช้าลงเพื่อให้การทำงานน่าเชื่อถือ หรือต้องใส่ชิปบัฟเฟอร์ที่มีกระแสขับสูงกว่าเข้าไปในวงจร กระแสขับที่สูงขึ้นจะเพิ่มความเร็ว เนื่องจากกล่าวอย่างง่ายๆ กระแสคืออัตราการไหลของประจุ ดังนั้นกระแสที่เพิ่มขึ้นจะชาร์จความจุได้เร็วขึ้น และแรงดันไฟฟ้าคร่อมตัวเก็บประจุจะเท่ากับประจุบนตัวเก็บประจุหารด้วยความจุ ดังนั้น เมื่อกระแสไฟฟ้ามากขึ้น แรงดันไฟฟ้าก็จะเปลี่ยนแปลงเร็วขึ้น ซึ่งช่วยให้การส่งสัญญาณผ่านบัสทำได้เร็วขึ้น ${\displaystyle \textstyle \ I=C{\frac {dV}{dt}}}$

น่าเสียดายที่เนื่องจากความเร็วที่สูงขึ้นของอุปกรณ์สมัยใหม่ การจำลอง IBISอาจจำเป็นสำหรับการกำหนดค่า fan-out แบบไดนามิกอย่างแม่นยำ เนื่องจากค่า fan-out แบบไดนามิกไม่ได้ระบุไว้อย่างชัดเจนในเอกสารข้อมูลจำเพาะส่วนใหญ่ (ดูลิงก์ภายนอกสำหรับข้อมูลเพิ่มเติม)

• FO4 — การกระจายสัญญาณแบบ fan-out ของ 4
• แฟนอิน — จำนวนอินพุตของเกตตรรกะ
• การกระจายตัวแบบรวมศูนย์
• อัลกอริทึม FAN — อัลกอริทึมการสร้างชุดทดสอบแบบกระจายสัญญาณ (FAN-out oriented)
• บรรจุภัณฑ์ระดับเวเฟอร์แบบกระจายสัญญาณ
• น้ำหนักแฮมมิง

• การออกแบบดิจิทัลความเร็วสูง — จดหมายข่าวออนไลน์ — เล่มที่ 8 ฉบับที่ 7