Введение
Выходной транзисторный каскад для интегральных схем
Конфигурации с открытым коллектором, открытым стоком, открытым эмиттером и открытым затвором относятся к схемам выходных выводов интегральных схем (ИС), которые реализуют внутреннюю функцию ИС посредством транзистора с незадействованным (т.е. "открытым") выводом. Один из внутренних источников питания высокого или низкого напряжения обычно подключается к другому выводу этого транзистора. Когда транзистор выключен, выход внутренне отсоединен от любого внутреннего источника питания, такое состояние называется "высоким импедансом" (Hi Z). Конфигурации с открытым выходом отличаются от дифференциальных (push-pull) выходов, которые используют пару транзисторов для выдачи определенного напряжения или тока. Эти конфигурации с открытым выходом часто применяются в цифровых схемах, где транзистор выступает в роли ключа, обеспечивая преобразование уровней логики, соединение логических элементов и совместное использование линий. Обычно требуются внешние подтягивающие/понижающие резисторы для установки выходного напряжения в состоянии Hi Z. Аналоговые применения включают аналоговое взвешивание, суммирование, ограничение и цифро-аналоговые преобразователи. NPN биполярные транзисторы (с n-типом проводимости) и nMOS транзисторы (с n-типом каналом) обладают большей проводимостью, чем их PNP и pMOS аналоги, поэтому они могут чаще использоваться в таких схемах. Выходы с открытым коллектором, использующие PNP и pMOS транзисторы, будут использовать противоположный внутренний источник питания по сравнению с NPN и nMOS транзисторами.
Открытый коллектор
Открытый коллекторный выход обрабатывает выходной сигнал микросхемы через базу внутреннего биполярного транзистора (BJT), коллектор которого выведен на внешний вывод. Для выходов открытого коллектора NPN, эмиттер NPN-транзистора внутренне подключен к земле, поэтому открытый коллектор NPN внутренне формирует либо короткое замыкание (фактически, низкое сопротивление или "низкий Z") на низкое напряжение (которое может быть землей), когда транзистор включен, либо разрыв цепи (фактически, высокое сопротивление или "hi Z"), когда транзистор выключен. Выход обычно подключается к внешнему подтягивающему резистору, который поднимает выходное напряжение до напряжения питания резистора, когда транзистор выключен. Для выходов открытого коллектора PNP, эмиттер PNP-транзистора внутренне подключен к шине положительного напряжения, поэтому коллектор выдает высокое напряжение, когда транзистор включен, или hi Z, когда он выключен. Это иногда называют "открытый коллектор, выдающий высокий уровень".
Открытый излучатель
Открытый выход на излучателе представляет собой использование излучателя в качестве выхода. В случае открытого выхода на излучателе NPN, коллектор подключается к положительной шине питания, поэтому излучатель выдает высокое напряжение при включенном транзисторе и имеет высокое сопротивление (hi Z) при выключенном состоянии. В случае открытого выхода на излучателе PNP, коллектор подключается к отрицательной шине питания, поэтому излучатель выдает низкое напряжение при включенном транзисторе и имеет высокое сопротивление (hi Z) при выключенном состоянии.
Открытый водоотвод
Открытый выходной дренаж использует МОП-транзистор (MOSFET) вместо биполярных транзисторов, и выводит на выход дренаж MOSFET. Для pMOS с открытым дренажом выход вместо этого подключается к положительной шине питания, когда транзистор включен, и имеет высокое сопротивление (hi Z), когда он выключен. Это иногда называют "открытым дренажом, выдающим высокий уровень".
Открытый исходный код
Выход с открытым истоком выводит на выход исток MOSFET. Для nMOS-выхода с открытым истоком, сток внутренне соединен с положительной шиной питания, поэтому исток выдает высокое напряжение при включенном транзисторе и имеет высокое сопротивление (hi Z) при выключенном. Для pMOS-выхода с открытым истоком, сток внутренне соединен с отрицательной шиной питания, поэтому выход подключается к отрицательной шине питания при включенном транзисторе и имеет высокое сопротивление (hi Z) при выключенном.
Приложения
Примечание: в этом разделе речь пойдет главным образом об открытых коллекторах npn, однако общие принципы применимы и к открытым стокам nMOS.
Логическая конверсия
Поскольку подтягивающий резистор является внешним и не требует подключения к напряжению питания микросхемы, вместо него можно использовать более низкое или более высокое напряжение (при условии, что оно не превышает максимально допустимое напряжение на выходе микросхемы). Открытые выходы поэтому иногда используются для взаимодействия с различными семействами устройств, работающих от разных уровней напряжения. Транзистор с открытым коллектором может быть рассчитан на выдерживание напряжения, превышающего напряжение питания микросхемы. Эта техника часто применяется логическими схемами, работающими на 5 В или ниже, для управления устройствами с более высоким напряжением, такими как электродвигатели, последовательно соединенные светодиоды, 12-вольтовые реле, 50-вольтовые вакуумно-флуоресцентные дисплеи или неоновые индикаторы, требующие напряжения более 100 В.
Проводная логика
Еще одно преимущество заключается в том, что к одной линии можно подключить несколько открытых коллекторных выходов. Если все открытые коллекторные выходы, подключенные к линии, выключены (то есть находятся в состоянии высокого импеданса), то подтягивающий резистор будет единственным элементом, определяющим напряжение линии, и подтянет его к высокому уровню. Однако, если один или несколько открытых коллекторных выходов, подключенных к линии, включены (то есть проводят на землю), поскольку любой из них достаточно силен, чтобы преодолеть ограниченную способность подтягивающего резистора удерживать напряжение на высоком уровне, напряжение линии будет понижено. Эта проводная логическая схема имеет несколько применений. Объединяя выходы нескольких открытых коллекторов и подключая их к подтягивающему резистору, общая линия становится проводным элементом И в логике с активным высоким уровнем. Выход будет высоким (истинным) только тогда, когда все выходы находятся в состоянии высокого импеданса, и низким (ложным) во всех остальных случаях, подобно логическому И. При использовании логики с активным низким уровнем, схема ведет себя как логическое ИЛИ, поскольку выход низкий (истинный), когда любой из входов низкий. См.
Обмен линиями
Обмен линиями используется для прерываний и шин (таких как I²C или 1 Wire). Выход с открытым коллектором позволяет одному активному устройству управлять общей линией, не вызывая помех от других неактивных устройств. Если ошибочно использовался бы выход с разомкнутым эмиттером (push–pull), активное устройство, пытающееся установить низкое напряжение на линии, конкурировало бы с другими устройствами, пытающимися установить высокое напряжение, что привело бы к непредсказуемому результату и нагреву. Устройства SCSI 1 используют открытый коллектор для электрической передачи сигналов. SCSI 2 и SCSI 3 могут использовать EIA 485.
Аналогичные
Открытые выходы коллектора также могут быть полезны для аналогового взвешивания, суммирования, ограничения, цифро-аналогового преобразования и других подобных применений, но они не рассматриваются в данном контексте.
Недостатки
Одна из проблем открытых коллекторов и подобных устройств с подтягивающим резистором заключается в том, что резистор постоянно потребляет мощность, когда выход находится в низком состоянии. Более высокие скорости работы требуют меньших номиналов резисторов для более быстрого подтягивания, что приводит к еще большему потреблению мощности. Кроме того, при подключении нагрузки ток, протекающий через подтягивающий резистор, снижает высокое выходное напряжение на величину падения напряжения, равную произведению тока на сопротивление, согласно закону Ома.
Псевдооткрытый дренаж (ПДД)
Драйверы с псевдооткрытым стоком (POD) обладают сильной способностью подтянуть сигнал к низкому уровню, но более слабой – к высокому. Это сделано для снижения общего энергопотребления по сравнению с использованием как сильного подтягивания, так и сильного подтяжки к земле. В отличие от этого, драйвер с открытым стоком не имеет способности подтянуть сигнал к высокому уровню, за исключением тока утечки: вся функция подтяжки обеспечивается внешним оконечным резистором. Именно поэтому здесь используется термин "псевдо": драйвер обеспечивает некоторое подтягивание сигнала к высокому уровню, а оставшаяся способность подтяжки реализуется за счет параллельного согласования приемника на дальнем конце с высоким напряжением, часто с использованием переключаемого оконечного резистора, интегрированного в микросхему, вместо отдельного резистора. JEDEC стандартизировал обозначения POD15, POD125, POD135 и POD12 для интерфейсов с напряжением питания 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 драйверов (34 Ом/48 Ом) для подтяжки вниз (RonPd) и подтяжки вверх (RonPu). Термин POD в DDR4 относится только к типу согласования, который представляет собой параллельную подтяжку вверх без согласования вниз на дальнем конце. Референсный уровень (VREF) для входа не является половиной напряжения питания, как это было в DDR3, и может быть выше. Сравнение схем согласования DDR3 и DDR4 с точки зрения перекоса, ширины окна и энергопотребления было опубликовано в конце 2011 года.