Coleccionista abierto

Colector abierto , drenador abierto , emisor abierto y fuente abierta se refieren a configuraciones de pines de salida de circuitos integrados (CI) que procesan la función interna del CI a través de un transistor con un terminal expuesto que está internamente desconectado (es decir, "abierto"). Uno de los rieles de voltaje alto o bajo internos del CI normalmente se conecta a otro terminal de ese transistor. Cuando el transistor está apagado, la salida está internamente desconectada de cualquier riel de alimentación interno, un estado llamado "alta impedancia" ( Hi-Z ). Por lo tanto, las configuraciones de salidas abiertas difieren de las salidas push-pull , que usan un par de transistores para generar un voltaje o corriente específicos .

Estas configuraciones de salidas abiertas se utilizan a menudo en aplicaciones digitales donde el transistor actúa como interruptor , permitiendo la conversión de nivel lógico, conexiones lógicas cableadas y el uso compartido de líneas. Normalmente se requieren resistencias pull-up/pull-down externas para ajustar la salida durante el estado de alta impedancia a un voltaje específico. Las aplicaciones analógicas incluyen ponderación analógica, suma, limitación y convertidores digital-analógico .

Los transistores NPN BJT ( transistor bipolar de unión tipo n ) y nMOS ( transistor de efecto de campo de óxido metálico semiconductor tipo n ) tienen mayor conductancia que sus homólogos PNP y pMOS, por lo que suelen utilizarse con mayor frecuencia para estas salidas. Las salidas abiertas que utilizan transistores PNP y pMOS emplean la tensión interna opuesta a la que utilizan los transistores NPN y nMOS.

Una salida de colector abierto procesa la salida de un circuito integrado a través de la base de un transistor de unión bipolar (BJT) interno, cuyo colector está expuesto como el pin de salida externo .

Para las salidas de colector abierto NPN, el emisor del transistor NPN está conectado internamente a tierra, ^{[ 1 ]} por lo que el colector abierto NPN forma internamente una conexión de cortocircuito (técnicamente de baja impedancia o "baja Z") a la baja tensión (que podría ser tierra ) cuando el transistor está encendido , o un circuito abierto (técnicamente de alta impedancia o "alta Z") cuando el transistor está apagado. La salida generalmente se conecta a una resistencia pull-up externa , que eleva la tensión de salida a la tensión de alimentación de la resistencia cuando el transistor está apagado.

En los transistores PNP de colector abierto, el emisor está conectado internamente al riel de voltaje positivo , por lo que el colector genera un voltaje alto cuando el transistor está encendido o una impedancia alta cuando está apagado. Esto a veces se denomina "colector abierto, genera un voltaje alto".

La salida de drenaje abierto utiliza un transistor MOS (MOSFET) en lugar de un BJT, y expone el drenaje del MOSFET como salida. ^{[ 1 ] : 488ff}

La salida de drenaje abierto de un MOSFET nMOS se conecta a tierra cuando se aplica un voltaje alto a su puerta, o presenta una alta impedancia cuando se aplica un voltaje bajo. En este estado de alta impedancia, el voltaje quedaría flotante (indefinido) debido a que el MOSFET no conduce. Por ello, las salidas de drenaje abierto de los MOSFET nMOS requieren una resistencia de polarización conectada a una línea de voltaje positiva para generar un voltaje de salida elevado.

 Los dispositivos microelectrónicos que utilizan una salida de drenaje abierto nMOS pueden proporcionar una resistencia pull-up interna "débil" (de alta resistencia, a menudo del orden de 100 kΩ) para conectar el terminal en cuestión a la fuente de alimentación positiva del dispositivo, de modo que su voltaje de salida no flote. Estas resistencias pull-up débiles reducen el consumo de energía debido a su menor resistencia.${\displaystyle V^{2}/R}$calentamiento óhmico y posiblemente evitar la necesidad de una resistencia pull-up externa. Las resistencias pull-up externas pueden ser más "fuertes" (menor resistencia, quizás 3  kΩ) para reducir los tiempos de subida de la señal (como con I²C ) o para minimizar el ruido (como en las entradas RESET del sistema ).

Los microcontroladores modernos pueden permitir programar pines de salida específicos para usar drenaje abierto en lugar de salida push-pull , la fuerza de la resistencia pull-up interna y permitir deshabilitar las resistencias pull-up internas cuando no se deseen. ^{[ 3 ]}

En el caso de los transistores pMOS de drenaje abierto, la salida se conecta al riel de alimentación positivo cuando el transistor está encendido y es de alta impedancia cuando está apagado. Esto a veces se denomina "drenaje abierto, salida de alta impedancia".

Las configuraciones que se conectan internamente a un alto voltaje son controladores de fuente. ^{[ 4 ]} Las configuraciones que se conectan internamente a un bajo voltaje son controladores de sumidero. ^{[ 5 ]}

La salida abierta se indica en los esquemas con estos símbolos IEEE : ^{[ 7 ]}

— – Salida NPN de colector abierto o similar que puede suministrar un voltaje bajo con impedancia relativamente baja cuando no está apagado. Requiere resistencia de polarización externa. Admite conexión AND cableada de lógica positiva.

⎒ – variante con resistencia pull-up interna para proporcionar un alto voltaje cuando está apagada.

⎏ – Salida NPN de emisor abierto o similar que puede suministrar un voltaje alto de impedancia relativamente baja cuando no está apagado. Requiere polarización a tierra externa. Admite conexión OR cableada de lógica positiva.

⎑ – variante con una resistencia de polarización interna para proporcionar un voltaje bajo cuando está apagada.

Nota: esta sección trata principalmente sobre colectores abiertos npn, sin embargo, los drenadores abiertos nMOS también suelen ser aplicables.

Lógica cableada

Otra ventaja es que se pueden conectar varias salidas de colector abierto a una misma línea. Si todas las salidas de colector abierto conectadas a una línea están apagadas (es decir, en estado de alta impedancia), la resistencia de polarización será el único componente que determine la tensión de la línea y la elevará a un nivel alto. Sin embargo, si una o más salidas de colector abierto conectadas a la línea están encendidas (es decir, conduciendo a tierra), dado que cualquiera de ellas es lo suficientemente potente como para superar la capacidad limitada de la resistencia de polarización para mantener la tensión alta, la tensión de la línea se reducirá a un nivel bajo. Esta conexión lógica cableada tiene diversas aplicaciones.

Al conectar la salida de varios colectores abiertos y unirla a una resistencia pull-up, la línea común se convierte en una compuerta AND cableada en lógica activa alta . La salida será alta (verdadera) solo cuando todas las compuertas estén en estado de alta impedancia, y baja (falsa) en caso contrario, como una compuerta AND booleana. Cuando se trata como lógica activa baja, se comporta como una compuerta OR booleana, ya que la salida es baja (verdadera) cuando cualquier entrada es baja. Véase Lógica transistor-transistor §  Lógica cableada de colector abierto .

Compartir línea

El uso compartido de líneas se emplea para interrupciones y buses (como I²C o 1-Wire ). La salida de colector abierto permite que un dispositivo activo controle la línea compartida sin interferencias de los demás dispositivos inactivos. Si se utilizara erróneamente una salida push-pull , el dispositivo activo que intenta establecer la tensión de línea en bajo competiría con los demás dispositivos que intentan establecerla en alto, lo que provocaría una salida impredecible y un aumento de temperatura.

Los dispositivos SCSI -1 utilizan colector abierto para la señalización eléctrica. ^{[ 9 ]} Los dispositivos SCSI-2 y SCSI-3 pueden utilizar EIA-485 .

Un problema de los dispositivos de colector abierto y similares con resistencia de polarización es que esta consume energía constantemente mientras la salida es baja. Para velocidades de funcionamiento más altas, se requieren valores de resistencia más bajos para una polarización más rápida, lo que consume aún más energía.

Asimismo, al alimentar una carga, la corriente que atraviesa la resistencia de polarización reduce el alto voltaje de salida en una caída de voltaje igual a la corriente multiplicada por la resistencia, según la ley de Ohm .

Los controladores de drenaje abierto pseudo ( POD ) tienen una fuerza de pull-down fuerte pero una fuerza de pull-up más débil. El propósito es reducir la demanda de potencia total en comparación con el uso de una fuerte fuerza de pull-up y una fuerte fuerza de pull-down. ^{[ 10 ]} Un controlador de drenaje abierto puro, en comparación, no tiene fuerza de pull-up excepto por la corriente de fuga: toda la acción de pull-up se realiza en la resistencia de terminación externa. Por eso se debe usar el término "pseudo" aquí: hay cierta fuerza de pull-up en el lado del controlador cuando la salida está en estado alto, la fuerza de pull-up restante se proporciona terminando en paralelo el receptor en el extremo lejano al alto voltaje, a menudo usando un terminador conmutable en el chip en lugar de una resistencia separada.

JEDEC estandarizó los términos POD15, ^{[ 11 ]} POD125, ^{[ 12 ]} POD135, ^{[ 13 ]} y POD12 ^{[ 14 ]} para voltajes de alimentación de interfaz de 1,5  V, 1,25  V, 1,35  V y 1,2  V respectivamente.

• Amplificadores de transistores de colector común y otros terminales comunes : Se utilizan más para voltajes analógicos que para digitales.
• Salida push-pull : Consiste en transistores que suministran y absorben corriente en ambos estados lógicos, no solo en uno.
• Lógica de tres estados : Consiste en transistores que suministran y absorben corriente en ambos estados lógicos, además de un control para desactivar ambos transistores y aislar la salida. Esto difiere de la salida de colector/drenador abierto, que utiliza un único transistor que solo puede desconectar la salida o conectarla a tierra.