3.7.4. Схемы с открытым стоком

Говорят, что транзисторы ср-каналом в выходных цепях КМОП-схем обеспечивают активное подтягивание (activepull-up) выходного напряжения к потенциалу шины питания при переходе с низкого уровня на высокий уровень. Эти транзисторы отсут­ствуют в вентилях с открытым стоком на выходе (open-drain outputs), таких как вентиль И-НЕ, показанный на рис. 3.49(а). Сток верхнего транзистора с n-каналом остается внутри схемы не присоединенным ни к чему, поэтому если сигнал на выхо­де не соответствует низкому уровню, то выход «разомкнут», как указано на рис. 3.49(b). Иногда выход с открытым стоком обозначается подчеркнутым ромбом [рис. 3.49(с)]. Аналогичная структура имеется в семействах ТТЛ-схем; она называется «схемой с открытым коллектором» и описана в разделе 3.10.5.

Р ис. 3.49. КМОП-схема И-НЕ с открытым стоком: (а) принципиальная схема; (b) таблица, описывающая работу схемы (L- низкий уровень, Н - высокий уровень; on - открыт, off - закрыт; open - разомкнут); (с) условное обозначение

Схеме с открытым стоком требуется внешний подтягивающий резистор (pull-up resistor) для пассивного подтягивания (passive pull-up) выхода к высокому уровню. Например, на рис. 3.50 показан КМОП-вентиль И-НЕ с открытым стоком с подтягивающим резистором и с подключенной нагрузкой.

Для обеспечения максимального возможного быстродействия, подтягиваю­щий резистор в схеме с открытым стоком должен быть как можно меньше; это минимизирует постоянную времени RC при переходе с низкого уровня на высо­кий (время нарастания). Однако сопротивление подтягивающего резистора не может быть сколь угодно малым; его минимальное значение определяется макси­мальным током I_Olmax, который может втекать в схему с открытым стоком со сто­роны ее выхода. Например, у КМОП-схем серий НС и НСТ I_Olmax =4 мА и сопротивле­ние подтягивающего резистора не может быть меньше, чем 5.0 В/4 мА или 1.25 кОм. Так как эта величина на порядок больше, чем сопротивление «открытого» транзи­стора ср-каналом в обычном КМОП-вентиле, переключение выходного напряжения с низкого уровня на высокий в случае вентиля с открытым стоком происходит медленнее, чем в случае обычного вентиля с активным подтягиванием.

Предположим, например, что используется КМОП-вентиль с открытым сто­ком серии НС (рис. 3.50) с сопротивлением подтягивающего резистора 1.5 кОм и емкостью нагрузки 100 пФ. В разделе 3.5.2 было показано, что при наличии на выходе низкого уровня выходное сопротивление КМОП-вентиля серии НС равно примерно 80 Ом. Таким образом, постоянная времени при переходе с высокого уровня на низкий равна приблизительно 80 Ом • 100 пФ = 8 не, и время спада выходного сигнала составляет 8 не. Однако для перехода с низкого уровня на высокий постоянная времени равняется примерно 1.5 кОм • 100 пФ = 150 не, и время нарастания составляет 150 не. Таким образом, нарастание выходного на­пряжения происходит относительно медленно в противоположность значитель­но более быстрому спаду напряжения, как показано на рис. 3.51. Один из прияте­лей автора называет такое медленное нарастание сигнала на выходе болотом (ooze).

Так почему схемы с открытым стоком все же применяются? Несмотря на боль­шое время нарастания, они могут быть полезны, по крайней мере, в трех случаях: для подключения светодиодов и других устройств, для реализации монтажной ло­гики и для создания шин с многими источниками сигналов.