オープンコレクタ

オープンコレクタとは

オープンコレクタは、電子回路における出力方式の一種で、NPNトランジスタをスイッチとして利用する点が特徴です。トランジスタのコレクタが出力端子となり、ベースには動作電流が供給され、エミッタは接地されます。特定の電圧や電流を直接出力するのではなく、トランジスタのON/OFF状態によって出力を制御します。

オープンコレクタの機能

オープンコレクタ出力は、トランジスタがONになると出力が接地され、OFFになると出力が開放されるというシンプルな仕組みで動作します。通常は、外部にプルアップ抵抗を接続して使用します。

- トランジスタOFF時: 出力はプルアップ抵抗によって高い電圧（+V）になります。
- トランジスタON時: 出力は接地され、低い電圧（約0V）になります。

この動作から、「アクティブL」とも呼ばれます。

オープンコレクタ出力の主な機能的特徴は以下の通りです。

1. 電圧レベルの変換が容易: プルアップ抵抗の電圧を変更することで、異なる電圧レベルの回路間での接続が可能です。
2. 小電力負荷の直接駆動: LEDなどの小電力の負荷を直接駆動できます。
3. ワイヤード接続: 複数のオープンコレクタ出力を1つの線に接続できます。

オープンコレクタの応用

プルアップ抵抗に接続される電圧は、電源電圧と同じである必要はありません。これにより、定格電圧の異なる論理回路同士を接続できます。また、複数のオープンコレクタ出力を1つの線に接続すると、ワイヤードANDまたはワイヤードORゲートとして機能します。

- ワイヤードAND: 全出力がハイインピーダンス（OFF）の時にのみ出力がハイレベルになり、一つでもローレベル（ON）になると出力もローレベルになります（正論理）。
- ワイヤードOR: 全出力がローレベル（ON）の時にのみ出力がローレベルになり、一つでもハイレベル（OFF）になると出力もハイレベルになります（負論理）。

これにより、入力端子数の多いAND回路を安価に構成できます。

オープンコレクタの問題点

オープンコレクタには、以下のような問題点もあります。

1. 電力消費: トーテムポール出力やCMOS出力に比べて、電流が多く流れる傾向があります。また、OFF状態でも微小なリーク電流が流れます。
2. 状態遷移時間: "L"→"H"の遷移時、プルアップ抵抗で浮遊容量を充電する必要があるため、遷移時間が不安定になりやすいです。特にノイズの影響を受けやすいです。一方、"H"→"L"への遷移は高速です。

これらの理由から、オープンコレクタ出力は以下の用途に適しています。

- 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になる頻度が低い用途
- 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
- "H"→"L"への遷移時間が重要だが、"L"→"H"への立ち上がり時間は正確でなくても構わない用途

また、プルアップ抵抗なしでLEDなどの負荷を接続し、直接人間が見る形で出力する用途にも使われます。

CMOSにおけるオープンドレイン

CMOS回路では、TTLと同様にNチャネルMOSFETのみを用いたNチャネルオープンドレインが一般的です。ただし、CMOSでは正電圧と接地の配置が対称に近いため、PチャネルMOSFETのみを用いたPチャネルオープンドレインも構成可能です。

- Nチャネルオープンドレイン: TTLと同様、L信号でのみ電流が出力されます。ワイヤードORは負論理です。
- Pチャネルオープンドレイン: "H"で正電圧を出力し、"L"でハイインピーダンスになります。ワイヤードORは正論理です。

Nチャネルオープンドレインでは、プルアップ電圧によってHレベルの電圧を変更できますが、Pチャネルオープンドレインではプルダウン電圧によってLレベルの電圧を変更できます。

しかし、PMOSはNMOSより動作が遅く、Lレベルは接地の電位に統一される設計が多いため、Pチャネルオープンドレインのラインアップは少ないです。

まとめ

オープンコレクタは、柔軟な電圧レベル変換やワイヤード接続が可能で、様々な電子回路で利用されています。特に、電圧レベルの異なる回路を接続する場合や、ワイヤードAND/ORを構成する場合に有効です。CMOSにおけるオープンドレインは、NチャネルとPチャネルの両方が存在し、それぞれ異なる特徴を持っています。オープンコレクタの特性を理解することで、より効率的な電子回路設計が可能になります。

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