Open collector

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Uno schema semplificato di un (open) collector esternalizzato di un circuito integrato (IC).

Un open collector (collettore aperto), è un tipo di porta logica avente come uscita fisica, il collettore del BJT costituente l'ultimo stadio del suo circuito.

Questo tipo di porta viene utilizzato quando si ha la necessità di pilotare dei dispositivi che richiedono una corrente maggiore e valori di tensione di alimentazione diversa rispetto a quella del dispositivo logico di pilotaggio.

In questo modo, il circuito finale può essere completato a piacimento dimensionando opportunamente la resistenza di collettore (esterna al chip) assegnando alla corrente il valore desiderato in funzione della tensione scelta.

I limiti di tensione e corrente nominali delle porte open-collector sono generalmente più alti di quelli delle porte normali, anche se esistono dei dispositivi che non permettono di lavorare con tensioni e correnti più elevate, un tipico esempio è costituito dal chip 7406, facente parte della serie 7400 in tecnologia TTL.

Funzionamento[modifica | modifica sorgente]

Nella figura di cui sopra, la base del transistor è chiamata “IC Output”, cioè uscita del circuito integrato. Questa è un'uscita interna proveniente dal circuito logico interno. Dal punto di vista del transistor questo è l'ingresso che controlla la sua commutazione. L'uscita esterna viene presa sul collettore del transistor e quest'ultimo agisce come interfaccia tra l'IC interno e la circuiteria esterna.

L'uscita essenzialmente lavora o come un circuito aperto (cioè connesso a nulla) o come connesso a massa. Solitamente si trova all'uscita una resistenza di pull-up, la quale aumenta la tensione d'uscita quando il transistor viene spento. Quando il transistor connesso a questa resistenza viene acceso, l'uscita viene forzata al valore 0. Gli output dei circuiti open-collector sono molto utili nelle operazioni analogiche matematiche, ma non ci occuperemo qui di tali applicazioni.

Un dispositivo three-state è differente da un open-collector poiché composto da transistor che funzionano da pozzi e da sorgenti di corrente in entrambi gli stati logici, oltre a un controllo che permette di spegnere entrambi i transistor ed isolare l'uscita.

Applicazioni dei dispositivi open-collector[modifica | modifica sorgente]

Poiché le resistenze di pull-up non necessitano di connessione all'alimentazione, può essere usata una tensione più alta o più bassa all'uscita in base alle esigenze. I circuiti open-collector sono pertanto usati per interfacciare differenti famiglie di dispositivi che hanno differenti valori di tensione di funzionamento, inoltre può resistere anche a tensioni superiori a quelle di alimentazione. Tali dispositivi sono comunemente usati per pilotare altri dispositivi come i tubi Nixie e il Display fluorescente a vuoto che richiedono alte tensioni di alimentazione rispetto alla tensione nominale di 5 volt.

Un altro vantaggio riguarda il fatto che le uscite di più open-collector possono essere connesse ad una singola linea. Se tutti gli output connessi alla linea sono ad alta impedenza, la resistenza di pull-up manterrà il collegamento al livello logico alto (livello 1). Se una o più uscite sono al livello logico basso (livello 0) essi assorbiranno corrente e porteranno la tensione della linea a massa (cioè tensione nulla). Queste connessioni logiche cablate hanno svariati usi.

Un'altra applicazione dell'open-collector è la connessione di diversi dispositivi al bus. Questo permette ad un dispositivo di pilotare il bus senza interferenze provenienti da altri dispositivi, infatti se il dispositivo open-collector non sta funzionando le uscite degli altri dispositivi inattivi avrebbero potuto portare la tensione del bus al livello alto, causando così un'uscita imprevedibile.

Tramite la connessione delle uscite di più open-collector assieme, il nodo comune forma le così dette porte “AND cablato” o “OR cablato”. Una AND cablata si comporta come la normale funzione booleana AND di due (o più) porte, essa sarà allo stato logico 1 purché tutti gli ingressi siano al livello logico 1, 0 altrimenti. Una OR cablata si comporta anch'essa come una normale OR: l'uscita è bassa se ogni ingresso è basso.

I dispositivi SCSI-1 usano un open-collector per i segnali elettrici.[1] SCSI-2 and SCSI-3 possono usare il EIA-485.

Un problema degli open-collector riguarda il consumo di energia, essi infatti tendono a richiedere elevati valori di corrente minima per un corretto funzionamento; anche nel caso in cui siano nello stato 'off' spesso sono caratterizzati da qualche nano amper di corrente di dispersione (la quantità esatta varia a seconda della temperatura).

Circuiti active-low wired-OR / active-high wired-AND che usano porte open-drain.

MOSFET[modifica | modifica sorgente]

La controparte MOSFET dell'open-collector è la connessione a open-drain. Le uscite open-drain possono risultare utili, come l'open-collector, nelle implementazioni tramite elettronica analogica di operazioni matematiche. Un terminale di drain aperto viene connesso a massa quando un valore di tensione alto (livello 1) viene applicato al gate, presenta ancora un'alta impedenza quando viene invece applicato al gate un basso valore di tensione (livello 0). L'alta impedenza è dovuta al fatto che il terminale è a una tensione non definita (floating), così tale dispositivo necessita di una resistenza di pull-up esterna connessa all'alimentazione positiva (livello 1), in modo che fornisca il livello logico 1 all'uscita.

Si noti che i dispositivi microelettronici che usano segnali a drain aperto (come i microcontrollori) possono fornire una resistenza “interna” di weak (leggera, piccola) pull-up per connettere il terminale in questione con l'alimentazione positiva, come la Vdd, del dispositivo. Tale resistenza weak pull-up, spesso dell'ordine dei 100 kΩ, riduce il consumo di potenza prendendo come segnali in ingresso quelli float, cioè quelli che non hanno una tensione ben definita. Resistenze esterne di pull-up (dell'ordine dei 3 kΩ) sono in grado di ridurre il tempo di salita di un segnale (come nel caso di I²C) o per minimizzare il rumore (come sui sistemi dei reset degli ingressi). Le resistenze di pull-up interne possono sovente essere disabilitate nei casi in cui ve ne sia una esterna, o nel caso in cui non risultasse semplicemente necessaria.

Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ Overview of SCSI Standards & Cables. 081214 scsita.org
  • Open Collector Outputs.
  • Chapter 4: Circuits in Honeywell Solid State Technical Documentation (broken link).
  • Paul Horowitz, Winfield Hill, The Art of Electronics, Second Edition, Cambridge University Press, 1989.

Collegamenti esterni[modifica | modifica sorgente]