オープンコレクタ

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オープンコレクタ: Open collector)は、電子回路における出力方式の一種である。特定の電圧電流を直接信号として出力するのではなく、NPNトランジスタスイッチのように用いて出力をあらわす。出力端子はトランジスタのコレクタであり、ベースには動作電流、エミッタはグラウンドに接続される。主に集積回路(IC)やセンサーなどの出力部に用いられる。

出力素子がバイポーラトランジスタではなくMOS FETで構成されている場合、同様の回路は オープンドレイン と呼ばれる。

機能[編集]

集積回路(IC)のオープンコレクタ出力の概念図

オープンコレクタ出力は、右図のように、NPNトランジスタをスイッチとして動作させている[1]

この場合、トランジスタの動作状況によって、出力(コレクタ)は何も接続されていない状態(トランジスタOFF状態)、または、グラウンドに短絡された状態(トランジスタON状態)のどちらかになる。 外部のプルアップ抵抗と組み合わせることで、トランジスタがOFF状態のときに出力は(高い電圧)≒+Vボルトになり、トランジスタがON状態になると出力は(低い電圧)≒0ボルトになる("アクティブL"ともいう)。

オープンコレクタ出力の機能的特徴は次の通りである。

  • 電圧レベルの変換が容易である(プルアップによる)
  • 小電力の負荷(LEDなど)なら直接駆動できる(ドライバ機能)
  • ワイヤード接続が可能である(別記参照)
オープンコレクタ出力をプルアップした結果
トランジスタの状態 出力 備考
OFF H プルアップ抵抗によって+Vがあらわれる
ON L グラウンド接地によってOVになる

オープンコレクタ・デバイスの応用[編集]

プルアップ抵抗が接続される電圧(+V)は電源電圧(Vcc)と同じである必要はない[2]。このため、オープンコレクタは定格電圧の異なる論理回路同士を接続するのにも使える。

また、複数のオープンコレクタ出力を1つの線に接続することもできる。全ての出力がハイインピーダンスになると、プルアップ抵抗によって電圧の高い状態になる。出力の1つ以上が接地状態になると、その線にかかる電圧は低くなる。

複数のオープンコレクタを1つにまとめると、その線は「ワイヤードAND」または「ワイヤードOR」ゲートとして機能する。すなわち、正論理ではワイヤードAND(論理積)となり、負論理ではワイヤードOR(論理和)となる。

オープンコレクタの問題点の一つは電力消費量であり、トーテムポール出力およびCMOS出力の回路に比べて一般に電流が多く流れる傾向がある。オフ状態であっても微妙なリーク電流が流れる(その量は温度によって変化する)。また、"L"→"H"への状態遷移時には伝送線路の浮遊容量と入力回路の寄生容量、およびワイヤードOR接続されている場合は他のICの出力回路の寄生容量をプルアップ抵抗で充電しつつ電圧が立ち上がるため、遷移完了までの正確な時間は設計段階では確定出来ない。加えて、電圧立ち上がり途中は伝送線路のインピーダンスはプルアップ抵抗そのものとなり、外来ノイズの影響を受けやすい("H"→"L"への立ち下がり時には、ON状態のトランジスタにより上記容量はほぼ瞬時に放電が行われ、外来ノイズも非常に低いインピーダンスでアースされるため、遷移時間のぶれは相対的に小さく済む)。

これらの理由から、オープンコレクタ出力回路は

  • 通常はプルアップ抵抗に電流が流れない"H"状態で、電圧0になる頻度は低い
  • 状態遷移時間のぶれが問題にならない程度の低速伝送経路、もしくは"H"→"L"への遷移時間は重要だが"L"→"H"への立ち上がり時間は正確でなくても構わない

というロジック回路に使われる。

参考文献[編集]

脚注[編集]

  1. ^ ISBN 4-339-00162-7 改訂 電子回路 相川孝作他 1983年5月 コロナ社 p.193
  2. ^ +V > Vcc の場合はチップの出力端子に印加できる最大電圧よりも+Vは低くなければならない