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 открытой клеммой, которая внутренне не подключена (т. е. «открыта»). Одна из внутренних шин высокого или низкого напряжения микросхемы обычно подключается к другому выводу этого транзистора. Когда транзистор выключен, выход внутренне отключен от любой внутренней шины питания, это состояние называется «высоким импедансом» ( Hi-Z ). Таким образом, конфигурации открытых выходов отличаются от двухтактных выходов , в которых используется пара транзисторов для вывода определенного напряжения или тока .
Эти конфигурации с открытыми выходами часто используются для цифровых приложений, когда транзистор действует как переключатель , чтобы обеспечить преобразование логического уровня, проводные логические соединения и совместное использование линий. Внешние подтягивающие/понижающие резисторы обычно требуются для установки определенного напряжения на выходе в состоянии Hi-Z. Аналоговые приложения включают аналоговые взвешивающие, суммирующие, ограничивающие и цифро-аналоговые преобразователи .
NPN BJT ( биполярный переходной транзистор n-типа ) и nMOS ( металлооксидно-полупроводниковый полевой транзистор 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 микросхемы через базу внутреннего биполярного транзистора (BJT), коллектор которого выступает в качестве внешнего выходного контакта .
Для выходов с открытым коллектором NPN эмиттер NPN-транзистора внутренне подключен к земле, [1] поэтому открытый коллектор NPN внутри образует либо соединение короткого замыкания (технически с низким импедансом или «низким Z») с низким напряжением ( который может быть заземлен ), когда транзистор включен , или обрыв цепи (технически высокий импеданс или «hi-Z»), когда транзистор выключен. Выход обычно подключается к внешнему подтягивающему резистору , который подтягивает выходное напряжение к напряжению питания резистора, когда транзистор выключен.
Для выходов PNP с открытым коллектором эмиттер PNP-транзистора внутренне подключен к шине положительного напряжения , поэтому коллектор выдает высокое напряжение, когда транзистор включен, или имеет высокое сопротивление, когда транзистор выключен. Иногда это называют «открытый коллектор, высокий уровень».
Выход с открытым эмиттером представляет эмиттер как выход. [2]
Для выхода NPN с открытым эмиттером коллектор подключен к шине положительного напряжения , поэтому эмиттер выдает высокое напряжение, когда транзистор включен, и имеет высокое сопротивление, когда транзистор выключен.
Для выхода PNP с открытым эмиттером коллектор подключен к источнику низкого напряжения, поэтому эмиттер выдает низкое напряжение, когда транзистор включен, и имеет высокое сопротивление, когда транзистор выключен.
На выходе с открытым стоком используется МОП-транзистор (MOSFET) вместо BJT, и сток МОП-транзистора используется в качестве выхода. [1] : 488 и далее
Выход nMOS с открытым стоком подключается к земле, когда на затвор полевого МОП-транзистора подается высокое напряжение , или имеет высокий импеданс , когда на затвор подается низкое напряжение. Напряжение в этом состоянии с высоким импедансом будет плавающим (неопределенным), поскольку МОП-транзистор не проводит ток, поэтому для выходов nMOS с открытым стоком требуется подтягивающий резистор, подключенный к шине положительного напряжения, для создания высокого выходного напряжения.
Микроэлектронные устройства, использующие выход nMOS с открытым стоком, могут иметь «слабый» (высокоомный, часто порядка 100 кОм) внутренний подтягивающий резистор для подключения рассматриваемой клеммы к положительному источнику питания устройства, чтобы их выходное напряжение не Не плаваю. Такие слабые подтяжки снижают энергопотребление благодаря более низкому омическому нагреву и, возможно, позволяют избежать необходимости во внешнем подтягивании. Внешние подтяжки могут быть «более сильными» (более низкое сопротивление, возможно, 3 кОм), чтобы уменьшить время нарастания сигнала (например, в случае I²C ) или минимизировать шум (например, на входах RESET системы ).
Современные микроконтроллеры могут позволять программировать определенные выходные контакты для использования открытого стока вместо двухтактного выхода , силы внутреннего подтягивания и позволять 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 высокое сопротивление в выключенном состоянии. Иногда это называют «открытый сток, высокий уровень сигнала».
Выход с открытым исходным кодом предоставляет источник MOSFET в качестве выхода.
Для выхода nMOS с открытым исходным кодом сток внутренне подключен к шине положительного напряжения, поэтому исток выдает высокое напряжение, когда транзистор включен, и имеет высокое сопротивление, когда транзистор выключен.
Для выхода pMOS с открытым исходным кодом сток внутренне подключен к шине низкого напряжения, поэтому выход вместо этого подключается к шине низкого напряжения, когда транзистор включен, или имеет высокий Z, 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 основном рассматриваются открытые коллекторы npn, однако обычно применяется и nMOS с открытым стоком.
Поскольку подтягивающий резистор является внешним и его не нужно подключать к напряжению питания микросхемы, вместо него можно использовать более низкое или более высокое напряжение, чем напряжение питания микросхемы (при условии, что оно не превышает абсолютное максимальное номинальное значение выходного напряжения микросхемы). . Поэтому открытые выходы иногда используются для сопряжения различных семейств устройств с разными уровнями рабочего напряжения. Транзистор с открытым коллектором может быть рассчитан на выдерживание более высокого напряжения, чем напряжение питания микросхемы. Этот метод обычно используется логическими схемами, работающими при напряжении 5 В или ниже, для управления устройствами с более высоким напряжением, такими как электродвигатели , последовательно соединенные светодиоды , [8] реле на 12 В , вакуумные флуоресцентные дисплеи на 50 В или лампы Никси , требующие более 100 В.
Еще одним 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 с высоким импедансом), подтягивающий резистор будет единственным устройством, устанавливающим напряжение линии, и будет повышать напряжение линии. Но если один или несколько выходов с открытым коллектором, подключенных к линии, включены (т. е. проводят заземление), поскольку любой из них достаточно силен, чтобы преодолеть ограниченную способность подтягивающего резистора удерживать высокое напряжение, вместо этого линейное напряжение будет потянул низко. Это проводное логическое соединение имеет несколько применений.
Путем объединения выходов нескольких открытых коллекторов и подключения к подтягивающему резистору общая линия становится проводным И с активной логической схемой высокого уровня . Выходной сигнал будет высоким (истина) только тогда, когда все вентили находятся в состоянии высокого импеданса, и низким (ложь) в противном случае, как логическое И. Если рассматривать ее как логику с активным низким уровнем, она ведет себя как логическое ИЛИ, поскольку выходной сигнал имеет низкий уровень (истина), когда любой входной сигнал имеет низкий уровень. См.: Транзисторно-транзисторная логика § Проводная логика с открытым коллектором .
Совместное использование линий 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 по ошибке использовался двухтактный выход , активное устройство, пытающееся установить низкое линейное напряжение, будет конкурировать с другими устройствами, пытающимися установить высокое линейное напряжение, что приведет к непредсказуемому выходному сигналу 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.
Одна из проблем таких устройств с открытым коллектором и подобных устройств с подтягивающим резистором заключается в том, что резистор постоянно потребляет мощность, хотя выходной сигнал низкий. Более высокие рабочие скорости требуют меньших номиналов резисторов для более быстрого подтягивания, что потребляет еще больше энергии.
Кроме того, при управлении нагрузкой ток через подтягивающий резистор снижает выходное высокое напряжение на падение напряжения , равное произведению тока на сопротивление в соответствии с законом Ома .
Драйверы с псевдооткрытым стоком ( POD ) имеют сильную силу понижения, но более слабую силу подъема. Цель состоит в том, чтобы снизить общую потребляемую мощность по сравнению с использованием как сильного повышения, так и сильного понижения. [10] Драйвер с чистым открытым стоком, для сравнения, не имеет никакой подтягивающей силы, за исключением тока утечки: все подтягивающее действие осуществляется на внешнем согласующем резисторе. Вот почему здесь следует использовать термин «псевдо»: на стороне драйвера происходит некоторое подтягивание, когда выход находится в высоком состоянии, оставшаяся сила подтягивания обеспечивается за счет параллельного подключения приемника на дальнем конце к ВЫСОКОЕ напряжение, часто с использованием переключаемого встроенного терминатора 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.
В памяти DDR4 используются драйверы POD12, но с одинаковой мощностью драйвера (34 Ом/48 Ом) для понижения (R onPd ) и повышения (R onPu ). Термин POD в DDR4 относится только к типу завершения, который представляет собой только параллельное подтягивание без завершения понижения на дальнем конце. [ необходимы разъяснения ] Контрольная точка (V REF ) для входа не равна половине питания, как в DDR3, и может быть выше. Сравнение [15] схем подключения DDR3 и DDR4 с точки зрения перекоса, глазковой апертуры и энергопотребления было опубликовано в конце 2011 года. [ актуально? ]
