Pull-up-Widerstand

Open Circuit beschreibt in der Elektrotechnik Aus- und Eingangsschaltungen, die einen hochohmigen (d. h. „offenen“) Zustand einnehmen können, in dem das Potential einer angeschlossenen Signalleitung nicht durch die Aus- oder Eingangsschaltungen definiert wird. In diesem Artikel wird bei der Beschreibung von idealen Bauteilen ausgegangen, reale Bauteile sind nie ganz offen (kein unendlicher Widerstand), haben auch geschlossen einen geringen Übergangswiderstand und haben zudem noch parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten. Die Ausgänge werden über Spannungspegel an oder Ströme in oder aus Eingängen gesteuert, die interne Zuordnung von Signalen am Eingang und Zuständen am Ausgang ist schaltungsabhängig und wird hier vernachlässigt.

Bei Open-Circuit-Schaltungen finden folgende Techniken Verwendung:

Ausgangsschaltungen

Alle im Folgenden dargestellten Techniken dienen dem Zweck, mehrere Ausgänge (von beispielsweise verschiedenen Baugruppen) an einer gemeinsamen Leitung (z. B. einer Busleitung) zu benutzen.

Offener Kollektor/offenes Drain

Ausgangsschaltungen mit offenem Kollektor (open collector, bei Bipolartransistoren) bzw. offenem Drain (open drain, bei Feldeffekt-Transistoren) verbinden im aktiven Zustand die angeschlossene Signalleitung mit dem niedrigeren Potential (meist Schaltungsmasse). Im inaktiven Zustand ist der Ausgang der Schaltung so hochohmig, dass das Potential der Signalleitung nicht beeinflusst wird.

Im Ersatzschaltbild für diesen Zustand kann der Ausgang völlig entfallen. Im aktiven Zustand stellt der Ausgang eine direkte Verbindung zum niedrigeren Potential dar.

Verwendung finden solche Ausgänge zusammen mit einem Pull-up-Widerstand, der im inaktiven Zustand das hohe Potential auf den Ausgang legt. Nachteilig ist hierbei mitunter die langsame steigende Signalflanke, die entsteht, weil der relativ hochohmige Widerstand eine gewisse Zeit benötigt, um die (parasitären) Kapazitäten von Ausgang und Verbindungsleitung aufzuladen.

Es gibt nicht zwingend eine übergeordnete Instanz, die bestimmt, welcher Ausgang arbeiten darf.

Benutzt wird diese Technik z. B. beim I²C-Bus.

Offener Emitter/offene Source

Ausgangsschaltungen mit offenem Emitter (open emitter, bei Bipolartransistoren) bzw. offener Source (open source, bei Feldeffekt-Transistoren) verbinden im aktiven Zustand die angeschlossene Signalleitung mit dem höheren Potential. Im inaktiven Zustand ist der Ausgang der Schaltung so hochohmig, dass das Potential der Signalleitung nicht beeinflusst wird.

Im Ersatzschaltbild für diesen Zustand kann der Ausgang völlig entfallen. Im aktiven Zustand stellt der Ausgang eine direkte Verbindung zum höheren Potential dar.

Durch Benutzung von Ausgangstransistoren umgekehrter Polarität (PNP bei Bipolar-, P-Kanal bei Feldeffekt-Transistoren) kehren sich die Verhältnisse um, d. h. die Schaltung mit offenem Kollektor bzw. Drain schaltet den Ausgang an das hohe Potenzial bzw. die Schaltung mit offenem Emitter bzw. offener Source schaltet den Ausgang an das niedrige Potenzial.

Tristate

Zwei Tristate-Ausgänge mit Pull-up-down-Widerständen an der Signalleitung

Tristate-Ausgangsschaltungen verbinden die angeschlossene Signalleitung entweder mit dem höheren Potential, dem niedrigeren Potential, oder sie lassen sie unbeeinflusst. Letzterer Zustand wird bei Integrierten Halbleiterschaltungen (ICs) meist durch einen speziellen Freigabeeingang für den gesamten IC gesteuert. Im inaktiven Zustand ist der Ausgang der Schaltung so hochohmig, dass das Potential der Signalleitung nicht beeinflusst wird.

Im Ersatzschaltbild für diesen hochohmigen Zustand kann der Ausgang völlig entfallen. Im aktiven Zustand stellt der Ausgang entweder eine direkte Verbindung zum niedrigeren oder zum höheren Potential dar.

Bei der Benutzung von Tristate-Ausgängen benötigt man eine höhere Instanz, die festlegt, welcher Ausgang aktiv ist. Bei einem Mikroprozessorbus beispielsweise ist dies ein Adressdekoder, der (abhängig von der Adresse auf dem Adressbus) über die Freigabeleitungen eine der Baugruppen auswählt, die darauf ihren Ausgang bzw. ihre Ausgänge aktiviert.

Sustained-Tri-State

Ein Ausgang mit Sustained-Tri-State stellt in gewisser Weise eine Mischform aus Tristate und offenem Kollektor dar. Wenn die Schaltung einer Baugruppe einen Ausgang inaktivieren will, legt sie den Ausgang eine kurze Zeit auf das hohe Potenzial, ehe die Ausgangsleitung ganz freigegeben wird. Dadurch wird die Ausgangsleitung sofort auf das hohe Potenzial gelegt, ohne dass der Pull-up-Widerstand die parasitären Kapazitäten laden muss. Die anderen Baugruppen müssen den Ausgang beobachten und ggf. die aktive Phase abwarten, ehe sie den Ausgang aktivieren, damit nicht mehr als eine aktive Schaltung an der Leitung arbeitet – sonst würde es zu Fehlfunktionen kommen, wenn eine Baugruppe die Ausgangsleitung freigeben will, während sie von einer anderen noch auf niedrigem Potenzial gehalten wird.

Benutzt wird dieses Verfahren z. B. beim PCI-Bus.

Beschaltung der Signalleitungen

Pull-down

Pull-down bezeichnet in der Elektrotechnik einen (relativ hochohmigen) Widerstand, der eine Signalleitung mit dem niedrigeren Spannungs-Potential verbindet. Durch ihn wird die Leitung auf das niedrige Potential gebracht, für den Fall, dass kein Ausgang die Leitung aktiv auf ein höheres Potential bringt. Pull-down-Schaltungen werden notwendig, wenn man Open-Source- oder Open-Emitter-Ausgänge verwendet und man

• ein definiertes niedriges Potential im Ruhezustand wünscht oder
• die Signalleitung gegen Einstreuungen stabilisieren will (Antenneneffekt vermeiden) oder
• Reflexionen von Signalen („Echos“) dämpfen will.

Pull-up

Pull-up bezeichnet in der Elektrotechnik einen (relativ hochohmigen) Widerstand, der eine Signalleitung mit dem höheren Spannungs-Potential verbindet. Durch ihn wird die Leitung auf das höhere Potential gebracht, für den Fall, dass kein Ausgang die Leitung aktiv auf ein niedrigeres Potential bringt. Pull-up-Schaltungen werden notwendig, wenn man einen Open-Drain- oder Open-Collector-Ausgang verwendet und man

• ein definiertes hohes Potential im Ruhezustand wünscht oder
• die Signalleitung gegen Einstreuungen stabilisieren (Antenneneffekt vermeiden) will oder
• Reflexionen von Signalen („Echos“) dämpfen will.

Pull-up-down

Pull-up-down-Beschaltungen von Signalleitungen verbinden diese sowohl mit dem höheren als auch mit dem niedrigeren Potential. Durch die Dimensionierung der Widerstände als Spannungsteiler wird die Leitung auf ein gewünschtes Potential gebracht, für den Fall, dass kein Ausgang die Leitung aktiv auf ein höheres oder niedrigeres Potential bringt. Pull-up-down-Schaltungen werden notwendig, wenn man

• ein definiertes Potential im Ruhezustand wünscht oder
• die Signalleitung gegen Einstreuungen stabilisieren (Antenneneffekt vermeiden) will oder
• Reflexionen von Signalen („Echos“) dämpfen will.

Weblinks

• Tristate-Logik, Grundlage und Praxis: Dies ist eine wichtige Grundlage für Schaltungen mit Open Collector (bipolare Transistorstufen) und Open Drain (CMOS-Stufen).
• Pullup-, Pulldown-Widerstand und Entstörungsmassnahmen

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Pull-up-Widerstände sind nicht zu verwechseln mit der Pull-up-Methode bei der Verlagerung gleicher Eigenschaften von Tochterklassen in die Mutterklasse in der objektorientierten Programmierung.