Открытый коллектор , открытый сток , открытый эмиттер и открытый источник относятся к конфигурациям выходных контактов интегральной схемы (ИС) , которые обрабатывают внутреннюю функцию ИС через транзистор с открытым выводом, который внутренне не подключен (т. е. «открыт»). Одна из внутренних шин высокого или низкого напряжения ИС обычно подключается к другой клемме этого транзистора. Когда транзистор выключен, выход внутренне отключен от любой внутренней шины питания, состояние называется «высоким импедансом» ( Hi-Z ). Таким образом, конфигурации открытых выходов отличаются от двухтактных выходов , которые используют пару транзисторов для вывода определенного напряжения или тока .
Эти конфигурации открытых выходов часто используются для цифровых приложений, когда транзистор действует как переключатель , чтобы обеспечить преобразование логического уровня, проводные логические соединения и совместное использование линии. Внешние подтягивающие/понижающие резисторы обычно требуются для установки выхода в состоянии Hi-Z на определенное напряжение. Аналоговые приложения включают аналоговое взвешивание, суммирование, ограничение и цифро-аналоговые преобразователи .
NPN BJT ( биполярный транзистор n-типа ) и nMOS ( полевой транзистор металл-оксид-полупроводник n-типа ) имеют большую проводимость, чем их родственники PNP и pMOS, поэтому могут чаще использоваться для этих выходов. Открытые выходы с использованием транзисторов PNP и pMOS будут использовать противоположную внутреннюю шину напряжения, используемую транзисторами NPN и nMOS.
Выход с открытым коллектором обрабатывает выходной сигнал ИС через базу внутреннего биполярного транзистора (БПТ), коллектор которого выведен на внешний выходной контакт .
Для выходов с открытым коллектором NPN эмиттер транзистора NPN внутренне подключен к земле, [1] поэтому открытый коллектор NPN внутренне образует либо короткозамкнутое (технически низкоомное или «низкоимпедансное») соединение с низким напряжением (которое может быть заземлено ), когда транзистор включен , либо разомкнутую цепь (технически высокоомное или «высокоимпедансное»), когда транзистор выключен. Выход обычно подключен к внешнему подтягивающему резистору , который подтягивает выходное напряжение к напряжению питания резистора, когда транзистор выключен.
Для выходов с открытым коллектором PNP эмиттер транзистора PNP внутренне подключен к положительной шине напряжения , поэтому коллектор выдает высокое напряжение, когда транзистор включен, или hi-Z, когда выключен. Иногда это называется «открытый коллектор, выдает высокий уровень».
Открытый выход эмиттера выставляет эмиттер в качестве выхода. [2]
Для выхода NPN с открытым эмиттером коллектор подключен к положительной шине напряжения , поэтому эмиттер выдает высокое напряжение, когда транзистор включен, и высокое напряжение, когда транзистор выключен.
В случае выхода PNP с открытым эмиттером коллектор подключен к источнику низкого напряжения, поэтому эмиттер выдает низкое напряжение, когда транзистор включен, и высокое напряжение, когда транзистор выключен.
Выход с открытым стоком использует МОП-транзистор (MOSFET) вместо биполярных транзисторов и выставляет сток MOSFET в качестве выхода. [1] : 488ff
Выход с открытым стоком nMOS подключается к земле, когда на затвор MOSFET подается высокое напряжение , или представляет высокий импеданс , когда на затвор подается низкое напряжение. Напряжение в этом состоянии с высоким импедансом будет плавающим (неопределенным), поскольку MOSFET не проводит ток, поэтому для выходов с открытым стоком nMOS требуется подтягивающий резистор, подключенный к положительной шине напряжения для получения высокого выходного напряжения.
Микроэлектронные устройства, использующие выход с открытым стоком nMOS, могут обеспечивать «слабый» (высокое сопротивление, часто порядка 100 кОм) внутренний подтягивающий резистор для подключения рассматриваемого терминала к положительному источнику питания устройства, чтобы их выходное напряжение не плавало. Такие слабые подтягивающие резисторы снижают потребление энергии из-за их более низкого омического нагрева и, возможно, позволяют избежать необходимости во внешнем подтягивающем резисторе. Внешние подтягивающие резисторы могут быть «сильнее» (более низкое сопротивление, возможно, 3 кОм) для уменьшения времени нарастания сигнала (как в случае с I²C ) или для минимизации шума (как на входах системного сброса ).
Современные микроконтроллеры позволяют программировать определенные выходные контакты для использования открытого стока вместо двухтактного выхода , силу внутреннего подтягивания и позволяют отключать внутренние подтягивания, когда это нежелательно. [3]
Для pMOS с открытым стоком выход вместо этого подключается к положительной шине питания, когда транзистор включен, и имеет высокий Z, когда выключен. Иногда это называется «открытый сток, высокие приводы».
Выход с открытым исходным кодом раскрывает источник MOSFET в качестве выхода.
Для выхода nMOS с открытым исходным кодом сток внутренне подключен к положительной шине напряжения, поэтому источник выдает высокое напряжение, когда транзистор включен, и высокое напряжение, когда он выключен.
Для pMOS-транзистора с открытым исходным кодом сток внутренне подключен к шине низкого напряжения, поэтому выход подключается к шине низкого напряжения, когда транзистор включен, или к шине высокого напряжения, когда выключен.
Конфигурации, которые внутренне подключаются к высокому напряжению, являются драйверами источника. [4] Конфигурации, которые внутренне подключаются к низкому напряжению, являются драйверами стока. [5]
Открытый выход обозначается на схемах следующими символами IEEE : [7]
Примечание: в этом разделе в первую очередь рассматриваются npn-транзисторы с открытым коллектором, однако nMOS-транзисторы с открытым стоком также обычно применяются.
Поскольку подтягивающий резистор является внешним и не должен быть подключен к напряжению питания чипа, вместо него можно использовать более низкое или более высокое напряжение, чем напряжение питания чипа (при условии, что оно не превышает абсолютного максимального номинала выхода чипа). Поэтому открытые выходы иногда используются для сопряжения различных семейств устройств, которые имеют разные уровни рабочего напряжения. Транзистор с открытым коллектором может быть рассчитан на выдерживание более высокого напряжения, чем напряжение питания чипа. Этот метод обычно используется логическими схемами, работающими при 5 В или ниже, для управления устройствами с более высоким напряжением, такими как электродвигатели , светодиоды в серии , [8] 12-вольтовые реле , 50-вольтовые вакуумные люминесцентные дисплеи или газоразрядные лампы Nixie , требующие более 100 В.
Другим преимуществом является то, что к одной линии можно подключить более одного выхода с открытым коллектором. Если все выходы с открытым коллектором, подключенные к линии, выключены (т. е. находятся в состоянии высокого импеданса), подтягивающий резистор будет единственным устройством, устанавливающим напряжение линии, и подтянет напряжение линии к высокому значению. Но если один или несколько выходов с открытым коллектором, подключенных к линии, включены (т. е. проводят ток на землю), поскольку любой из них достаточно силен, чтобы преодолеть ограниченную способность подтягивающего резистора удерживать напряжение на высоком уровне, напряжение линии вместо этого будет подтянуто к низкому значению. Это проводное логическое соединение имеет несколько применений.
Связывая выход нескольких открытых коллекторов вместе и подключая к подтягивающему резистору, общая линия становится проводным И в активной высокой логике . Выход будет высоким (истина) только тогда, когда все затворы находятся в состоянии высокого импеданса, и будет низким (ложь) в противном случае, как логическое И. При обработке в качестве активной-низкой логики это ведет себя как логическое ИЛИ, поскольку выход низкий (истина), когда любой вход низкий. См. Транзисторно-транзисторная логика § Проводная логика открытого коллектора .
Совместное использование линии используется для прерываний и шин (таких как I²C или 1-Wire ). Выход с открытым коллектором позволяет одному активному устройству управлять общей линией без помех со стороны других неактивных устройств. Если вместо этого ошибочно использовать двухтактный выход , активное устройство, пытающееся установить низкое напряжение линии, будет конкурировать с другими устройствами, пытающимися установить высокое напряжение линии, что приведет к непредсказуемому выходу и нагреву.
Устройства SCSI -1 используют открытый коллектор для электрической сигнализации. [9] SCSI-2 и SCSI-3 могут использовать EIA-485 .
Выходы с открытым коллектором также могут быть полезны для аналогового взвешивания, суммирования, ограничения, цифро-аналоговых преобразователей и т. д., но такие приложения здесь не обсуждаются.
Одной из проблем таких устройств с открытым коллектором и подобных устройств с подтягивающим резистором является то, что резистор постоянно потребляет мощность, пока выход низкий. Более высокие рабочие скорости требуют меньших значений резистора для более быстрого подтягивания, что потребляет еще больше мощности.
Кроме того, при подаче нагрузки ток через подтягивающий резистор снижает выходное высокое напряжение на величину падения напряжения , равную произведению тока на сопротивление, согласно закону Ома .
Драйверы с псевдооткрытым стоком ( POD ) имеют сильную силу подтягивания вниз, но слабую силу подтягивания вверх. Цель состоит в том, чтобы уменьшить общую потребляемую мощность по сравнению с использованием как сильного подтягивания вверх, так и сильного подтягивания вниз. [10] Чистый драйвер с открытым стоком, для сравнения, не имеет силы подтягивания вверх, за исключением тока утечки: все подтягивающее действие происходит на внешнем согласующем резисторе. Вот почему здесь должен использоваться термин «псевдо»: есть некоторая подтяжка вверх на стороне драйвера, когда выход находится в высоком состоянии, оставшаяся сила подтягивания обеспечивается параллельным подключением приемника на дальнем конце к высокому напряжению, часто с использованием переключаемого терминатора на кристалле вместо отдельного резистора.
JEDEC стандартизировал термины POD15, [11] POD125, [12] POD135, [13] и POD12 [14] для напряжений питания интерфейса 1,5 В, 1,25 В, 1,35 В и 1,2 В соответственно.
Память DDR4 использует драйверы POD12, но с той же силой драйвера (34 Ω/48 Ω) для pull-down (R onPd ) и pull-up (R onPu ). Термин POD в DDR4 относится только к типу терминации, который является только параллельной pull-up без pull-down терминации на дальнем конце. [ необходимо разъяснение ] Опорная точка (V REF ) для входа не является половиной питания, как в DDR3, и может быть выше. Сравнение [15] схем терминации DDR3 и DDR4 с точки зрения перекоса, апертуры глаза и энергопотребления было опубликовано в конце 2011 года. [ релевантно? ]
