Low-Voltage 20-Bit D-Type Flip-Flop with 5V Tolerant Inputs and Outputs The 74LCX16821 is a low-voltage CMOS 20-bit flip-flop manufactured by Fairchild Semiconductor. It operates with a supply voltage range of 2.0V to 3.6V, making it suitable for low-power applications. The device features 20 D-type flip-flops with 3-state outputs, allowing for high-speed data transfer and bus interface applications. It supports 5V-tolerant inputs and outputs, enabling compatibility with 5V logic levels. The 74LCX16821 has a typical propagation delay of 3.8 ns and is designed to minimize power consumption, with a typical ICC of 10 µA. It is available in a 56-pin TSSOP package. The device is characterized for operation from -40°C to +85°C.

Low-Voltage 20-Bit D-Type Flip-Flop with 5V Tolerant Inputs and Outputs# Technical Documentation: 74LCX16821 20-Bit Bus Interface Flip-Flop

## 1. Application Scenarios

### Typical Use Cases
The 74LCX16821 is primarily employed in  data bus interfacing applications  where reliable 20-bit data transfer and temporary storage are required. Key use cases include:

-  Bus Buffering and Isolation : Provides temporary storage between microprocessor buses and peripheral devices
-  Data Pipeline Registers : Enables synchronous data flow in pipelined processing systems
-  Address Latching : Stores memory addresses during read/write operations in memory subsystems
-  Data Synchronization : Aligns asynchronous data streams with system clock domains

### Industry Applications
 Computer Systems : 
- Motherboard memory controllers
- PCI/PCIe bus interfaces
- CPU-to-chipset communication paths

 Networking Equipment :
- Packet buffer management in routers/switches
- Network processor interfaces
- Quality of Service (QoS) data path elements

 Industrial Automation :
- PLC input/output expansion modules
- Motor control interface circuits
- Sensor data acquisition systems

 Telecommunications :
- Base station digital signal processing
- Telecom switching matrix control
- Line interface unit data handling

### Practical Advantages and Limitations

 Advantages :
-  Low Power Consumption : 3.3V operation with 5V tolerant inputs reduces system power requirements
-  High-Speed Operation : 4.5ns maximum propagation delay supports high-frequency systems
-  Bus-Hold Circuitry : Eliminates need for external pull-up/pull-down resistors
-  Live Insertion Capability : Supports hot-swapping in redundant systems
-  Compact Packaging : 56-pin SSOP/TSSOP saves board space

 Limitations :
-  Limited Drive Capability : Maximum 24mA output current may require buffers for heavy loads
-  Clock Skew Sensitivity : Requires careful clock distribution in wide parallel systems
-  Power Sequencing : 5V tolerance requires proper power-up sequencing to prevent latch-up

## 2. Design Considerations

### Common Design Pitfalls and Solutions

 Clock Distribution Issues :
-  Problem : Clock skew across 20 bits causes data capture errors
-  Solution : Use balanced clock tree with matched trace lengths (≤5mm variation)

 Simultaneous Switching Noise :
-  Problem : Multiple outputs switching simultaneously induce ground bounce
-  Solution : Implement adequate decoupling (0.1μF ceramic + 10μF tantalum per device)

 Input Float Conditions :
-  Problem : Unused inputs floating cause excessive power consumption
-  Solution : Enable bus-hold feature or tie unused inputs to valid logic levels

### Compatibility Issues

 Voltage Level Translation :
- The 74LCX16821 interfaces seamlessly between 3.3V and 5V systems
- Inputs are 5V tolerant when VCC = 3.3V
- Output voltage levels: VOH = 2.4V min @ 3.0V VCC, VOL = 0.4V max

 Timing Compatibility :
- Compatible with 3.3V LVCMOS logic families
- May require timing adjustment when interfacing with slower 5V TTL components
- Maximum operating frequency: 200MHz (typical)

### PCB Layout Recommendations

 Power Distribution :
- Use star-point grounding for analog and digital grounds
- Place decoupling capacitors within 5mm of VCC pins
- Implement power planes for stable supply distribution

 Signal Integrity :
- Route clock signals with 50Ω controlled impedance
- Maintain 3W spacing rule for parallel signal traces
- Use via stitching around high-speed signal paths

 Thermal Management :
- Provide adequate copper pour for heat dissipation
- Ensure minimum 1mm clearance for airflow in TSSOP package

Low-Voltage 20-Bit D-Type Flip-Flop with 5V Tolerant Inputs and Outputs The 74LCX16821 is a low-voltage CMOS 20-bit flip-flop manufactured by National Semiconductor. It operates at a voltage range of 2.0V to 3.6V, making it suitable for low-power applications. The device features 20 D-type flip-flops with 3-state outputs, allowing for high-speed data transfer and bus interface applications. It supports 5V tolerant inputs and outputs, enabling compatibility with 5V logic levels. The 74LCX16821 has a typical propagation delay of 4.5 ns and is available in a 56-pin SSOP (Shrink Small Outline Package) or TSSOP (Thin Shrink Small Outline Package). It is designed for high-performance, low-power digital systems and is characterized for operation from -40°C to +85°C.

Low-Voltage 20-Bit D-Type Flip-Flop with 5V Tolerant Inputs and Outputs# 74LCX16821 Technical Documentation

## 1. Application Scenarios

### Typical Use Cases
The 74LCX16821 is a 20-bit universal bus driver featuring 3-state outputs, making it ideal for various digital system applications:

 Data Bus Buffering and Isolation 
-  Primary Function : Acts as a bidirectional buffer between microprocessors and peripheral devices
-  Memory Interface Applications : Provides clean signal transmission between CPU and memory modules (RAM, ROM, Flash)
-  Bus Expansion : Enables multiple devices to share common data buses without signal degradation

 System Architecture Applications 
-  Backplane Driving : Suitable for driving heavily loaded backplanes in telecommunications equipment
-  Hot-Swap Systems : Supports live insertion/extraction in redundant systems due to power-off protection
-  Bus Hold Circuitry : Maintains last valid logic state during high-impedance conditions

### Industry Applications

 Telecommunications Equipment 
-  Network Switches/Routers : Used in port interface cards for signal conditioning
-  Base Station Controllers : Handles data routing between processing units and RF modules
-  Telecom Backplanes : Provides robust signal transmission across large PCB assemblies

 Computing Systems 
-  Server Motherboards : Interfaces between Northbridge and multiple peripheral controllers
-  Industrial PCs : Handles I/O expansion in harsh environments
-  Embedded Systems : Used in microcontroller-based designs requiring multiple I/O lines

 Automotive Electronics 
-  Infotainment Systems : Manages data flow between processors and display controllers
-  Body Control Modules : Handles multiple sensor/actuator interfaces
-  ADAS Systems : Supports data aggregation from multiple sensors

### Practical Advantages and Limitations

 Advantages 
-  Low Power Consumption : Typical ICC of 10μA (static) due to CMOS technology
-  5V Tolerant I/Os : Compatible with both 3.3V and 5V systems
-  High-Speed Operation : 4.5ns maximum propagation delay at 3.3V
-  Live Insertion Capability : Supports hot-swapping applications
-  Bus Hold Feature : Eliminates need for external pull-up/pull-down resistors

 Limitations 
-  Limited Drive Capability : 24mA output drive may be insufficient for heavily loaded buses
-  Voltage Translation Range : Limited to 3.3V-5V systems, not suitable for lower voltage interfaces
-  Package Constraints : Available primarily in TSSOP packages, limiting high-density designs

## 2. Design Considerations

### Common Design Pitfalls and Solutions

 Power Supply Decoupling 
-  Pitfall : Inadequate decoupling causing signal integrity issues and ground bounce
-  Solution : Use 0.1μF ceramic capacitors placed within 0.5cm of each VCC pin, plus bulk 10μF capacitor per power section

 Simultaneous Switching Noise 
-  Pitfall : Multiple outputs switching simultaneously causing ground bounce and VCC sag
-  Solution : Implement output enable staggering and use series termination resistors (22-33Ω)

 Signal Integrity Management 
-  Pitfall : Ringing and overshoot on high-speed signals
-  Solution : Implement proper transmission line techniques with controlled impedance (50-65Ω)

### Compatibility Issues

 Mixed Voltage Systems 
-  3.3V to 5V Translation : Ensure proper level shifting when interfacing with 5V devices
-  Input Threshold Compatibility : Verify VIH/VIL specifications match connected devices
-  Power Sequencing : Implement proper power-up/down sequences to prevent latch-up

 Timing Constraints 
-  Setup/Hold Times : Critical when interfacing with synchronous devices
-  Clock Domain Crossing : Requires careful synchronization when crossing clock domains
-  Propagation Delay Matching : Essential for parallel bus applications

### PCB Layout