Open Collector

Der Open-Collector-Ausgang (OC) (dt. „offener Kollektor“ auch „unbeschalteter Kollektor“) bietet einen freien Kollektor-Ausgang eines Bipolartransistors in integrierten Schaltkreisen an. Meistens dient er dazu, einen Anschluss an ein höheres Spannungsniveau an diesem Anschluss zu erlauben oder die logischen Verknüpfungen UND (engl. AND) und ODER (eng. OR) als so genannte Wired-AND und Wired-OR Verknüpfung in Bus-Systemen wie dem I2C-Bus zu ermöglichen.

Da in integrierten Schaltungen zunehmend Feldeffekttransistoren eingesetzt werden, welche statt einem Kollektor-Anschluss einen so genannten Drain-Anschluss aufweisen, wird dieser Ausgang auch als Open-Drain-Ausgang bezeichnet.

Erklärung

Schematisches Innenleben eines ICs (hier: Komplementär-Ausgang)

Man kann das Innenleben eines analogen oder digitalen ICs im allgemeinen in Eingangsanschlüsse, Schaltlogik und Ausgangsanschluss (Ausgangsanschlüsse) aufteilen. In den allermeisten Fällen wird am Ausgang ein Spannungsniveau zwischen VO_L und VO_H eingestellt. Bei analogen ICs werden auch beliebige Zwischenwerte erlaubt, bei digitalen ICs wird durch die interne Schaltlogik erzwungen, dass am Ausgang ein „Low,0“ (VO_L) oder „High,1“ (VO_H) anliegt. Wichtig ist zum Verständnis, dass bei der gezeigten Ausgangsbeschaltung (die durch Emitterfolger, Kurzschlusssicherungen und anderen Variationen von gezeigten Prinzip abweichen kann) das Ausgangsspannungsniveau aber immer zwischen VO_L und VO_H liegt, und nicht tiefer oder höher sein kann. Je nach Schaltkreis kann VO_L gleich V- und VO_H gleich V+ sein, so dass, vereinfachend gesagt, die Ausgangsspannung VO zwischen V- und V+ liegt. Werden beide Grenzen erreicht, dann wird von Rail-to-Rail Technik gesprochen, weil im Schaltplan V- und V+ wie die Schienen eines Eisenbahngleises aussehen.

Verschiedene Spannungsniveaus in einer Schaltung

Es kommt nun vor, dass in einer elektronischen Schaltung mit gemeinsamer Masse und unterschiedlichen V+-Niveaus gearbeitet werden muss. Ein typisches Beispiel ist die Vermengung von analogen Signalaufbereitungen mit einem beliebigen V+ Niveau und Verarbeitung der Signale auf Microcontrollern, bei denen V+ fest auf +5 V liegen muss. Oder Ausgänge von digitalen Verarbeitungen müssen auf Spannungsniveaus größer oder kleiner als +5 V gebracht werden. Diese soll durch die oben liegenden unterschiedlichen V+ Linien in nebenstehendem Bild angedeutet werden. Während ein Weiterreichen von analogen Spannungsniveaus von links nach rechts noch unproblematisch sein kann (+3,635 V sind immer +3,635 V), so sieht es mit der digitalen Information "0" und "1" schon viel kritischer aus, weil in der Mitte "1" z. B. bei +4,8 V liegt, was im rechten Teil, mit einer V+ Spannung von z. B. 20 V als "0" interpretiert wird, da +4,8 V deutlich unter 0,5 · 20 V = +10 V liegt.

Das bindende Glied zwischen den Komponenten eines Niveaus zum anderen Niveau sind Open-Collector-Ausgänge, bei denen, wie gezeigt, der Kollektor eines Transistors ohne weitere innere Beschaltung (engl: open = offen) nach außen an einen IC-Anschluss geführt ist. Er verhält sich deshalb nach außen wie ein Auf-Zu-Schalter (wobei nicht definiert ist, wie logisch Auf und Zu zu 1 und 0 zugeordnet sind.) Im gezeigten Beispiel werden Widerstände, die an das V+ Niveau der „Empfangskomponente“ angeschlossen sind, vom open-collector Transistor in eingeschaltetem Zustand gegen Masse geschaltet, d.h., der Eingang der Empfangskomponente sieht eine binäre "0". Wird der open-collector-Transistor nicht angesteuert, d. h., er ist nicht leitend, dann wird das Niveau auf V+ der Eingangskomponente gezogen (vorausgesetzt, dass dieser Widerstand klein gegenüber dem Eingangswiderstand ist). Der Eingang sieht also eine binäre "1". Deshalb heißen diese Widerstände auch "pull-up" Widerstände. Diese sind bei den meisten Standard-ICs nicht implementiert, sie müssen also extern bereitgestellt werden, es gibt aber Microcontroller, bei denen sich einzelne Ports als Eingänge mit integriertem pull-up Widerstand konfigurieren lassen.

Open-Collector-Anschlüsse können auch Eigenschaften bereitstellen, die den restlichen Transistoren eines ICs fehlen. Ein klassisches Beispiel sind Treibertransistoren für Ziffernanzeigen, die z. B. mit bis zu 30 V beaufschlagt werden können, obwohl die ICs als Mitglieder der 74-er Reihe der digitalen Standard-Ics nur für V+ = 5 V zugelassen sind. Der "Discharge" (=Entladungs) Anschluss des berühmten Timer-Ics NE555 ist ein Open-Collector-Anschluss mit einer recht hohen zulässigen Strombelastung.

Digitale ICs und Verwendung des OCs

Der Open Collector Ausgang ist einer von vier möglichen Ausgangstypen (Totem-Pole, Tri-state, Komplementär-Ausgang) für digitale integrierte Schaltungen (IC). Dabei wird der Kollektorwiderstand der Ausgangsendstufe weggelassen, so dass man mehrere Ausgänge zu einem Bus zusammensetzen kann. (Theoretisch ist als fünfter Ausgangstyp noch Open-Emitter möglich, entsprechende Bauteile werden aber nicht gebaut.)

Es können durchaus Aufgabenstellungen auftreten, bei denen viele Gatter ausgangsseitig miteinander verknüpft werden müssen. Nehmen wir an, dass 25 Gatterausgänge abschließend durch ein ODER-Gatter zusammen zu fassen sind, so müsste man 25 Leitungen zu einem ODER-Gatter führen, das 25 Eingänge hat. Das ist nicht nur sehr aufwändig, sondern man wird auch sogleich feststellen, dass am Markt ODER-Gatter mit 25 Eingängen nicht verfügbar sind. Man könnte vielleicht dieses Problem durch kaskadierte ODER-Gatter lösen, bekäme jedoch damit auch unterschiedliche Signallaufzeiten.

Diese Herausforderung lässt sich besser bewältigen, indem man Gatter mit offenem Kollektorausgang verwendet. Diese besitzen einen npn-Transistor am Ausgang, wobei der Emitter an Masse (engl. ground) liegt, und der Kollektorausgang unbeschaltet an den Ausgang des Gatterbausteins herausgeführt ist. Solche Ausgänge kann man nun ohne weiteres parallel schalten und mit einem gemeinsamen Kollektorwiderstand beschalten

Die Ausgangsspannung Ua befindet sich bei positiver Logik nur dann im HIGH-Zustand, wenn alle angeschlossenen Gatterausgänge ebenfalls High sind, d. h., alle Ausgangsstufen sperren. Andererseits erkennt man, dass die Ausgangsspannung in den LOW-Zustand geht, wenn auch nur ein Ausgang sich im LOW -Zustand befindet. Damit ergibt sich für positive Logik eine UND-Verknüpfung der Ausgänge.

Mit dieser Open-Collector-Schaltungstechnik lässt sich aber auch eine ODER-Verknüpfung realisieren, indem man die negierten Ausgänge der Gatter ebenso mit ihren offenen Kollektoren zusammenschaltet und anschließend negiert. Nach de Morgan gilt:

Eine entsprechende Schaltung zeigt:

Man erkennt, dass die UND-Verknüpfung der negierten Gatterausgänge mit nachfolgender Negation eine ODER-Verknüpfung liefert. WIRED-AND und WIRED-OR-Strukturen werden bei der Implementierung von „programmable logic arrays“ (PLA) eingesetzt.

Literatur

• Gerhard H. Schildt: Einführung in die Technische Informatik. Springer, ISBN 3-211-83853-8. 

Weblinks

• Open-Collector (Auch dynamische Vorgänge...)
• Ausführliche Beschreibung des Aufbaus einiger grundlegender TTL-Gatter (mit Schaltskizzen)