オープンコレクタ

オープン コレクタ、オープン ドレイン、オープン エミッタ、およびオープン ソースは、内部的に接続されていない (つまり「オープン」である) 露出した端子を持つトランジスタを介してIC の内部機能を処理する集積回路(IC)出力ピン構成を指します。IC の内部高電圧レールまたは低電圧レールの 1 つは、通常、そのトランジスタの別の端子に接続されます。トランジスタがオフの場合、出力は内部的に内部電源レールから切断され、「高インピーダンス」( Hi-Z ) と呼ばれる状態になります。したがって、オープン出力構成は、特定の電圧または電流を出力するために 1 組のトランジスタを使用するプッシュプル出力とは異なります。

これらのオープン出力構成は、トランジスタがスイッチとして機能するデジタル アプリケーションでよく使用され、ロジック レベル変換、ワイヤード ロジック接続、およびライン共有が可能になります。通常、Hi-Z 状態の出力を特定の電圧に設定するには、外部プルアップ/プルダウン抵抗が必要です。アナログ アプリケーションには、アナログ重み付け、加算、制限、およびデジタル/アナログ コンバーターが含まれます。

NPN BJT (n 型バイポーラ接合トランジスタ) と nMOS (n 型金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ) は、PNP や pMOS の類似品よりもコンダクタンスが大きいため、これらの出力によく使用されます。PNP および pMOS トランジスタを使用したオープン出力では、NPN および nMOS トランジスタで使用される反対の内部電圧レールが使用されます。

オープンコレクタ出力は、内部のバイポーラ接合トランジスタ(BJT)のベースを介して IC の出力を処理します。BJT のコレクタは外部出力ピンとして公開されます。

NPNオープンコレクタ出力の場合、NPNトランジスタのエミッタは内部でグランドに接続されているため、^[1] NPNオープンコレクタは、トランジスタがオンのときは低電圧（グランドの場合もある）への短絡（技術的には低インピーダンスまたは「low-Z」）接続を内部で形成し、トランジスタがオフのときは開回路（技術的には高インピーダンスまたは「hi-Z」）を形成します。出力は通常、外部プルアップ抵抗に接続され、トランジスタがオフのときは出力電圧を抵抗の電源電圧に引き上げます。

PNP オープン コレクタ出力の場合、PNP トランジスタのエミッタは内部で正の電圧レールに接続されているため、トランジスタがオンのときはコレクタから高電圧が出力され、オフのときは Hi-Z になります。これは「オープン コレクタ、高電圧駆動」と呼ばれることもあります。

オープンエミッタ出力はエミッタを出力として公開します。^[2]

NPN オープン エミッタ出力の場合、コレクタは正の電圧レールに接続されているため、トランジスタがオンのときはエミッタから高電圧が出力され、オフのときは Hi-Z になります。

PNP オープン エミッタ出力の場合、コレクタは低電圧電源に接続されているため、トランジスタがオンのときはエミッタは低電圧を出力し、オフのときは Hi-Z になります。

オープンドレイン出力はBJTの代わりにMOSトランジスタ（MOSFET）を使用し、MOSFETのドレインを出力として露出させる。^{[1] ：488ff}

nMOS オープン ドレイン出力は、MOSFET のゲートに高電圧が印加されるとグランドに接続され、ゲートに低電圧が印加されると高インピーダンスになります。この高インピーダンス状態の電圧は、MOSFET が導通していないため浮動(未定義) になります。そのため、nMOS オープン ドレイン出力では、高出力電圧を生成するために正の電圧レールに接続されたプルアップ抵抗が必要です。

nMOS オープン ドレイン出力を使用するマイクロエレクトロニクス デバイスでは、問題の端子をデバイスの正電源に接続して出力電圧がフロートしないようにするために、「弱い」(高抵抗、多くの場合 100 kΩ 程度) 内部プルアップ抵抗器が提供される場合があります。このような弱いプルアップでは、抵抗発熱が低いため消費電力が削減され、外部プルアップが不要になる可能性があります。外部プルアップは、「強い」(低抵抗、おそらく 3 kΩ) ため、( I²Cの場合のように) 信号の立ち上がり時間を短縮したり、(システムRESET入力のように) ノイズを最小限に抑えたりすることができます。 ${\displaystyle V^{2}/R}$

現代のマイクロコントローラでは、特定の出力ピンをプッシュプル出力ではなくオープンドレイン出力を使用するようにプログラムしたり、内部プルアップの強度を設定したり、不要な場合は内部プルアップを無効にしたりできる場合があります。^[3]

pMOS オープン ドレインの場合、出力はトランジスタがオンのときに正の電源レールに接続され、オフのときは Hi-Z になります。これは「オープン ドレイン、ハイ ドライブ」と呼ばれることもあります。

オープン ソース出力は、 MOSFET のソースを出力として公開します。

nMOS オープン ソース出力の場合、ドレインは内部で正の電圧レールに接続されているため、トランジスタがオンのときはソースから高電圧が出力され、オフのときは Hi-Z になります。

pMOS オープン ソース出力の場合、ドレインは内部で低電圧レールに接続されているため、トランジスタがオンのときは出力は低電圧レールに接続され、オフのときは Hi-Z になります。

内部的に高電圧に接続する構成はソースドライバです。^[4]内部的に低電圧に接続する構成はシンクドライバです。^[5]

オープン出力は回路図上で次のIEEEシンボルで示される: ^[7]

⎐ – NPN オープン コレクターまたは同様の出力。オフになっていないときに比較的低インピーダンスの低電圧を供給できます。外部プルアップが必要です。正論理のワイヤード AND 接続が可能です。

⎒ –オフ時に高電圧を供給するための内部プルアップ抵抗を備えたバリアント。

⎏ – NPN オープン エミッタまたは同様の出力。オフになっていないときに比較的低インピーダンスの高電圧を供給できます。外部プルダウンが必要です。正論理ワイヤード OR 接続が可能です。

⎑ – オフ時に低電圧を供給するための内部プルダウン抵抗を備えたバリアント。

注: このセクションでは主に npn オープン コレクターを扱いますが、nMOS オープン ドレインも一般的に適用されます。

プルアップ抵抗は外付けであり、チップ電源電圧に接続する必要がないため、チップ電源電圧よりも低いまたは高い電圧を代わりに使用できます（チップの出力の絶対最大定格を超えない限り）。したがって、オープン出力は、動作電圧レベルが異なるさまざまなデバイスファミリをインターフェイスするために使用されることがあります。オープンコレクタトランジスタは、チップ電源電圧よりも高い電圧に耐えられるように定格化できます。この手法は、5 V以下で動作するロジック回路で、電気モーター、直列接続されたLED、^[8] 12 Vリレー、50 V蛍光表示管、または100 V以上を必要とする ニキシー管などの高電圧デバイスを駆動するためによく使用されます。

もう 1 つの利点は、1 つのラインに複数のオープン コレクタ出力を接続できることです。ラインに接続されたすべてのオープン コレクタ出力がオフ (つまり、高インピーダンス状態) の場合、プルアップ抵抗器はラインの電圧を設定する唯一のデバイスとなり、ライン電圧を高く引き上げます。ただし、ラインに接続された 1 つ以上のオープン コレクタ出力がオン (つまり、グランドに導通) の場合、そのうちの 1 つでもプルアップ抵抗器の限られた高電圧保持能力を克服できるほど強力であるため、ライン電圧は低く引き下げられます。このワイヤード ロジック接続には、いくつかの用途があります。

複数のオープンコレクタの出力をまとめてプルアップ抵抗に接続すると、共通ラインはアクティブハイロジックのワイヤードANDになります。出力は、ブールANDと同様に、すべてのゲートが高インピーダンス状態の場合にのみハイ（真）になり、それ以外の場合はロー（偽）になります。アクティブローロジックとして扱うと、入力がローのときに出力がロー（真）になるため、ブールORのように動作します。トランジスタ-トランジスタロジック§オープンコレクタワイヤードロジックを参照してください。

ライン共有は、割り込みやバス( I²Cや1-Wireなど)に使用されます。オープン コレクタ出力により、1 つのアクティブ デバイスが、他の非アクティブ デバイスからの干渉を受けることなく共有ラインを駆動できます。プッシュ プル出力が誤って代わりに使用されると、ライン電圧を低く設定しようとするアクティブ デバイスが、ライン電圧を高く設定しようとする他のデバイスと競合し、予測できない出力と熱が発生します。

SCSI -1デバイスは電気信号にオープンコレクタを使用します。^[9] SCSI-2およびSCSI-3はEIA-485を使用する場合があります。

オープン コレクタ出力は、アナログの重み付け、加算、制限、デジタル - アナログ コンバータなどにも役立ちますが、ここではそのようなアプリケーションについては説明しません。

プルアップ抵抗を備えたオープン コレクターや類似のデバイスの問題の 1 つは、出力が低い間は抵抗が常に電力を消費することです。動作速度が速いほど、プルアップを高速化するために抵抗値を低くする必要があり、これによりさらに多くの電力が消費されます。

また、負荷を駆動する場合、プルアップ抵抗器を流れる電流により、オームの法則に従って、電流と抵抗の積に等しい電圧降下によって出力高電圧が低下します。

疑似オープンドレイン( POD ) ドライバは、プルダウン強度は強力ですが、プルアップ強度は弱くなっています。その目的は、強力なプルアップと強力なプルダウンの両方を使用する場合と比較して、全体的な電力需要を減らすことです。^[10]一方、純粋なオープンドレイン ドライバには、リーク電流を除いてプルアップ強度がありません。プルアップ動作はすべて外部終端抵抗で行われます。これが、ここで「疑似」という用語を使用する必要がある理由です。出力がハイ状態のときにドライバ側にいくらかのプルアップがあり、残りのプルアップ強度は、遠端のレシーバを高電圧に並列終端することによって提供され、多くの場合、別の抵抗ではなく、切り替え可能なオンダイ ターミネータが使用されます。

JEDECは、1.5V、1.25V、1.35V、1.2Vのインターフェース電源電圧をそれぞれ POD15、 ^[11] POD125、^[12] POD135、^[13] POD12 ^[14]という用語で標準化しました。

DDR4 メモリはPOD12 ドライバを使用しますが、プルダウン (R _onPd ) とプルアップ (R _onPu ) のドライバ強度は同じ (34 Ω/48 Ω) です。DDR4 の POD という用語は、遠端にプルダウン終端がなく、並列プルアップのみである終端タイプのみを指します。^{[説明が必要]}入力の基準点 (V _REF ) は、DDR3 のように電源の半分ではなく、それよりも高い場合があります。スキュー、アイ アパーチャ、消費電力の観点からの DDR3 と DDR4 の終端方式の比較^{[15]が 2011 年後半に公開されました。 [関連性あり? ]}

ウィキメディア・コモンズには、オープンコレクターに関連するメディアがあります。

• 共通コレクタおよびその他の共通端子トランジスタ アンプ: デジタルよりもアナログ電圧に多く使用されます。
• プッシュプル出力: 1 つのロジック状態だけでなく、両方のロジック状態で電流をソースおよびシンクするトランジスタで構成されます。
• 3 ステート ロジック:両方のロジック状態で電流をソースおよびシンクするトランジスタと、出力を分離するために両方のトランジスタをオフにするコントロールで構成されます。これは、出力を切断するかグランドに接続することしかできない単一のトランジスタのみを使用するオープン コレクタ/ドレイン出力とは異なります。