Открытый коллектор

Открытый коллектор , открытый сток , открытый эмиттер и открытый источник относятся к интегральной схемы (ИС) конфигурациям выходных контактов микросхемы , которые обрабатывают внутреннюю функцию через транзистор с открытой клеммой, которая внутренне не подключена (т. е. «открыта»). микросхемы Одна из внутренних шин высокого или низкого напряжения 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 n-типа ( биполярный переходной транзистор n-типа ) и nMOS ( металлооксидно-полупроводниковый полевой транзистор ) 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.

Открытый коллектор

Схема выхода с открытым коллектором NPN. Сигнал внутренней функции микросхемы подается в качестве базового входа для NPN- транзистора BJT , который управляет переключением транзистора на землю микросхемы. Внешний выход — коллектор транзистора.

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] Таким образом, открытый коллектор NPN внутри образует либо соединение короткого замыкания (технически с низким импедансом или «низким Z») с низким напряжением (которое может быть заземлено ), когда транзистор включен , либо разомкнутую цепь (технически с высоким импедансом) . 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».

Открытый эмиттер

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.

Открытый слив

На выходе с открытым стоком используется МОП-транзистор (MOSFET) вместо BJT, и сток МОП-транзистора используется в качестве выхода. ^[1]^{: 488ff}

Выход nMOS с открытым стоком подключается к земле, когда высокое напряжение на затвор полевого МОП-транзистора подается , 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 подтягивания снижают энергопотребление за счет более низкой $V^{2}/R$ омический нагрев и, возможно, позволит избежать необходимости внешнего подтягивания. 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».

Открытый исходный код

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.

Краткое описание конфигураций

Краткое описание различных открытых конфигураций
транзистор	открытый терминал	подключение внутреннего источника напряжения
НПН	открытый коллектор	НИЗКОЕ напряжение подключено к эмиттеру
НПН	открытый эмиттер	ВЫСОКОЕ напряжение подключено к коллектору
нМОП	открытый слив	НИЗКОЕ напряжение, подключенное к источнику
нМОП	открытый исходный код	ВЫСОКОЕ напряжение подключено к стоку
ПНП	открытый коллектор	ВЫСОКОЕ напряжение подключено к эмиттеру
ПНП	открытый эмиттер	НИЗКОЕ напряжение на коллекторе
пМОП	открытый слив	ВЫСОКОЕ напряжение подключено к источнику
пМОП	открытый исходный код	НИЗКОЕ напряжение подключено к стоку

Конфигурации, которые внутренне подключаются к высокому напряжению, являются драйверами источника. ^[4] Конфигурации, которые внутренне подключаются к низкому напряжению, являются драйверами стока. ^[5]

Схематическое обозначение

Открытый выход обозначается на схемах следующими символами IEEE : ^[7]

⎐ – NPN-выход с открытым коллектором или аналогичный выход, который может подавать низкое напряжение с относительно низким импедансом, когда он не выключен. Требует внешнего подтягивания. Возможность подключения проводного И с положительной логикой.

⎒ – вариант с внутренним подтягивающим резистором для обеспечения высокого напряжения в выключенном состоянии.

⎏ – NPN-эмиттер с открытым эмиттером или аналогичный выход, который может подавать высокое напряжение с относительно низким импедансом, когда он не выключен. Требуется внешний раскрывающийся список. Возможность подключения проводного ИЛИ с положительной логикой.

⎑ – вариант с внутренним понижающим резистором для обеспечения низкого напряжения в выключенном состоянии.

Приложения

Примечание. В этом разделе в основном рассматриваются открытые коллекторы npn, однако обычно применяется и nMOS с открытым стоком.

Преобразование логического уровня

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 и т. д . ^[8] на 12 В Реле , вакуумные флуоресцентные дисплеи на 50 В или лампы Никси, требующие напряжения более 100 В.

Проводная логика

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, определяющим 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 быть опущенным. Это проводное логическое соединение имеет несколько применений.

Путем соединения выходов нескольких открытых коллекторов вместе 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 элементы 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-транзисторную логику § Проводная логика с открытым коллектором .

Совместное использование линий

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 .

Аналоговый

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.

Недостатки

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 .

Псевдооткрытый дренаж (POD)

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] Для сравнения, драйвер с чистым открытым стоком 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] ПОД125, ^[12] ПОД135, ^[13] и ПОД12 ^[14] для напряжений питания интерфейса 1,5 В, 1,25 В, 1,35 В и 1,2 В соответственно.

Память DDR

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 поднятие напряжения без завершения понижения напряжения на дальнем конце. ^{[ нужны разъяснения ]} Контрольная точка (V _REF ) для входа не равна половине питания, как в DDR3, и может быть выше. Сравнение ^[15] Схемы подключения DDR3 и DDR4 с точки зрения перекоса, апертуры глаза и энергопотребления были опубликованы в конце 2011 года. ^{[ соответствующий? ]}

См. также

Усилители с общим коллектором и другими транзисторными усилителями с общим выводом : используются больше для аналоговых напряжений, чем для цифровых.
Двухтактный выход : состоит из транзисторов, которые подают и принимают ток в обоих логических состояниях, а не только в одном.
Логика с тремя состояниями : состоит из транзисторов для подачи и потребления тока в обоих логических состояниях, а также устройства управления для отключения обоих транзисторов для изоляции выхода. Это отличается от выхода с открытым коллектором/стоком, в котором используется только один транзистор, который может только отключить выход или соединить его с землей.

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б Пол Горовиц; Уинфилд Хилл (1989). Искусство электроники (2-е изд.). Издательство Кембриджского университета.
^ «Выход с открытым эмиттером | JEDEC» . www.jedec.org . Проверено 27 июня 2023 г.
^ Коциан, Иржи (2015). «Влияние установки контактов на функционирование и производительность системы» (PDF) . НХП . Архивировано (PDF) из оригинала 23 октября 2022 г. Проверено 27 декабря 2022 г.
^ "исходный драйвер, (текущий-) | JEDEC" . ДЖЕДЕК . Архивировано из оригинала 5 сентября 2023 г. Проверено 6 сентября 2023 г.
^ "драйвер стока, (текущий-) | JEDEC" . ДЖЕДЕК . Архивировано из оригинала 5 сентября 2023 г. Проверено 6 сентября 2023 г.
^ «Шестнадцатеричные буферы и драйверы SNx407 и SNx417 с открытым коллектором» (PDF) . Техасские инструменты . 1983 год . Проверено 18 января 2023 г.
^ «Обзор стандарта IEEE 91-1984. Объяснение логических символов» (PDF) . Техасские инструменты . 1996 год . Проверено 12 февраля 2020 г.
^ Оскай, Уинделл (29 февраля 2012 г.). «Основы: выходы с открытым коллектором» . Злой безумный учёный . Архивировано из оригинала 20 декабря 2022 г. Проверено 15 января 2023 г.
^ «Обзор стандартов и кабелей SCSI» . Архивировано из оригинала 10 декабря 2008 г. 081214 scsita.org
^ Приложение № 6 к JESD8 - Логика высокоскоростного приемопередатчика (HSTL) - Стандарт интерфейса на основе напряжения питания выходного буфера 1,5 В для цифровых интегральных схем (август 1995 г.).
^ POD15 - Интерфейс псевдооткрытого стока 1,5 В (октябрь 2009 г.).
^ Интерфейс псевдооткрытого дренажа (сентябрь 2017 г.).
^ POD135 - Интерфейс псевдооткрытого стока 1,35 В (март 2018 г.).
^ POD12 - Интерфейс псевдооткрытого стока 1,2 В (август 2011 г.).
^ Схемы заделки с псевдооткрытым сливом и центральной вставкой .

Внешние ссылки

[artOfElectronics2ndEd-1] Перейти обратно: ^а ^б Пол Горовиц; Уинфилд Хилл (1989). Искусство электроники (2-е изд.). Издательство Кембриджского университета.

[2] «Выход с открытым эмиттером | JEDEC» . www.jedec.org . Проверено 27 июня 2023 г.

[3] Коциан, Иржи (2015). «Влияние установки контактов на функционирование и производительность системы» (PDF) . НХП . Архивировано (PDF) из оригинала 23 октября 2022 г. Проверено 27 декабря 2022 г.

[4] "исходный драйвер, (текущий-) | JEDEC" . ДЖЕДЕК . Архивировано из оригинала 5 сентября 2023 г. Проверено 6 сентября 2023 г.

[5] "драйвер стока, (текущий-) | JEDEC" . ДЖЕДЕК . Архивировано из оригинала 5 сентября 2023 г. Проверено 6 сентября 2023 г.

[6] «Шестнадцатеричные буферы и драйверы SNx407 и SNx417 с открытым коллектором» (PDF) . Техасские инструменты . 1983 год . Проверено 18 января 2023 г.

[7] «Обзор стандарта IEEE 91-1984. Объяснение логических символов» (PDF) . Техасские инструменты . 1996 год . Проверено 12 февраля 2020 г.

[8] Оскай, Уинделл (29 февраля 2012 г.). «Основы: выходы с открытым коллектором» . Злой безумный учёный . Архивировано из оригинала 20 декабря 2022 г. Проверено 15 января 2023 г.

[9] «Обзор стандартов и кабелей SCSI» . Архивировано из оригинала 10 декабря 2008 г. 081214 scsita.org

[10] Приложение № 6 к JESD8 - Логика высокоскоростного приемопередатчика (HSTL) - Стандарт интерфейса на основе напряжения питания выходного буфера 1,5 В для цифровых интегральных схем (август 1995 г.).

[11] POD15 - Интерфейс псевдооткрытого стока 1,5 В (октябрь 2009 г.).

[12] Интерфейс псевдооткрытого дренажа (сентябрь 2017 г.).

[13] POD135 - Интерфейс псевдооткрытого стока 1,35 В (март 2018 г.).

[14] POD12 - Интерфейс псевдооткрытого стока 1,2 В (август 2011 г.).

[15] Схемы заделки с псевдооткрытым сливом и центральной вставкой .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

v т и Логические семьи
МОП-технология	PMOS-логика НМОП-логика Логика NMOS с истощающей нагрузкой (включая HMOS) Дополнительный МОП (КМОП) Проходная транзисторная логика (PTL) Биполярный – КМОП (БиКМОП)
Другие технологии	Диодная логика Диодно-транзисторная логика (ДТЛ) Открытый коллектор (OC) Транзисторная логика с прямой связью (DCTL) Эмиттерно-связанная логика (ECL) Логика приемопередатчика Ганнинга (GTL) Интегрированная логика впрыска (I ²Л) Резисторно-транзисторная логика (РТЛ) Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ) Логика текущего режима/логика, связанная с источником (CML/SCL)
Типы	Статический Динамический Логика домино Четырехфазная логика