جامع مفتوح

يشير مصطلح "المجمع المفتوح" و "المصرف المفتوح" و "الباعث المفتوح" و" المصدر المفتوح" إلى تكوينات دبابيس الإخراج في الدوائر المتكاملة (IC) التي تعالج الوظيفة الداخلية للدائرة المتكاملة عبر ترانزستور ذي طرف مكشوف غير متصل داخليًا (أي "مفتوح"). عادةً ما يتصل أحد خطوط الجهد العالي أو المنخفض الداخلية للدائرة المتكاملة بطرف آخر لهذا الترانزستور. عندما يكون الترانزستور مطفأً، يكون الإخراج مفصولًا داخليًا عن أي خط طاقة داخلي، وهي حالة تُسمى "المقاومة العالية" ( Hi-Z ). وبالتالي، تختلف تكوينات الإخراج المفتوح عن تكوينات الإخراج بالدفع والسحب ، التي تستخدم زوجًا من الترانزستورات لإخراج جهد أو تيار محدد .

تُستخدم هذه التكوينات ذات المخارج المفتوحة غالبًا في التطبيقات الرقمية عندما يعمل الترانزستور كمفتاح ، مما يسمح بتحويل مستوى الإشارة المنطقية، وتوصيلات المنطق السلكية ، ومشاركة الخطوط. عادةً ما تكون هناك حاجة إلى مقاومات سحب خارجية لأعلى/لأسفل لضبط جهد الخرج أثناء حالة المقاومة العالية (Hi-Z) على قيمة محددة. تشمل التطبيقات التناظرية ترجيح الإشارة التناظرية، والجمع، والحد، ومحولات الإشارة الرقمية إلى التناظرية .

يتميز ترانزستور NPN ثنائي القطبية ( BJT ) وترانزستور nMOS ( ترانزستور تأثير المجال لأشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة من النوع n ) بموصلية أعلى من نظيريهما PNP وpMOS، لذا قد يكون استخدامهما أكثر شيوعًا في هذه المخارج. تستخدم المخارج المفتوحة التي تستخدم ترانزستورات PNP وpMOS جهدًا داخليًا معاكسًا للجهد الداخلي المستخدم في ترانزستورات NPN وnMOS.

يقوم خرج المجمع المفتوح بمعالجة خرج الدائرة المتكاملة من خلال قاعدة ترانزستور ثنائي القطب داخلي (BJT)، والذي يتم كشف مجمعه كطرف إخراج خارجي .

في مخارج الترانزستورات NPN ذات المجمع المفتوح، يكون باعث الترانزستور NPN موصولًا داخليًا بالأرضي، ^{[ 1 ]} وبالتالي، يشكل المجمع المفتوح داخليًا إما دائرة قصر (مقاومة منخفضة تقنيًا أو "منخفضة-Z") مع الجهد المنخفض (الذي قد يكون الأرضي ) عند تشغيل الترانزستور ، أو دائرة مفتوحة ( مقاومة عالية تقنيًا أو "عالية-Z") عند إيقاف تشغيل الترانزستور. عادةً ما يكون المخرج موصولًا بمقاومة سحب خارجية ، والتي تسحب جهد المخرج إلى جهد تغذية المقاومة عندما يكون الترانزستور متوقفًا.

في مخارج الترانزستورات PNP ذات المجمع المفتوح، يكون باعث الترانزستور PNP متصلاً داخلياً بخط الجهد الموجب ، لذا يُخرج المجمع جهدًا عاليًا عندما يكون الترانزستور في حالة تشغيل، أو يكون ذا مقاومة عالية (hi-Z) عندما يكون في حالة إيقاف. ويُطلق على هذا أحيانًا اسم "مجمع مفتوح، يُخرج جهدًا عاليًا".

يستخدم خرج المصرف المفتوح ترانزستور MOS (MOSFET) بدلاً من الترانزستورات ثنائية القطبية (BJT)، ويُعرَض مصرف MOSFET كمخرج. ^{[ 1 ] : 488ff}

يتصل خرج المصرف المفتوح لترانزستور nMOS بالأرض عند تطبيق جهد عالٍ على بوابة الترانزستور، أو يُظهر مقاومة عالية عند تطبيق جهد منخفض. يكون الجهد في حالة المقاومة العالية هذه عائمًا (غير مُحدد) لأن الترانزستور غير موصل، ولهذا السبب تتطلب مخارج المصرف المفتوح لترانزستور nMOS مقاومة سحب لأعلى موصولة بمصدر جهد موجب لإنتاج جهد خرج عالٍ.

 قد توفر الأجهزة الإلكترونية الدقيقة التي تستخدم خرجًا مفتوح المصرف من نوع nMOS مقاومة سحب داخلية "ضعيفة" (ذات مقاومة عالية، غالبًا في حدود 100 كيلو أوم) لتوصيل الطرف المعني بمصدر الطاقة الموجب للجهاز، وذلك لمنع تذبذب جهد الخرج. وتساهم هذه المقاومات الضعيفة في تقليل استهلاك الطاقة نظرًا لانخفاض مقاومتها.${\displaystyle V^{2}/R}$التسخين الأومي ، وربما تجنب الحاجة إلى مقاومة سحب خارجية. قد تكون مقاومات السحب الخارجية "أقوى" (مقاومة أقل، ربما 3  كيلو أوم) لتقليل زمن صعود الإشارة (كما هو الحال مع I²C ) أو لتقليل التشويش (كما هو الحال في مداخل إعادة ضبط النظام ).

قد تسمح وحدات التحكم الدقيقة الحديثة ببرمجة دبابيس إخراج معينة لاستخدام مخرج مفتوح بدلاً من مخرج الدفع والسحب ، وقوة المقاومة الداخلية، وتعطيل المقاومات الداخلية عند عدم الرغبة في ذلك. ^{[ 3 ]}

في ترانزستورات pMOS ذات المصرف المفتوح، يتصل الخرج بخط الطاقة الموجب عندما يكون الترانزستور قيد التشغيل، ويكون عالي المقاومة عندما يكون مطفأً. ويُطلق على هذا أحيانًا اسم "المصرف المفتوح، يقود عاليًا".

تُسمى التكوينات التي تتصل داخليًا بجهد عالٍ بمحركات المصدر. ^{[ 4 ]} أما التكوينات التي تتصل داخليًا بجهد منخفض فتُسمى محركات المصرف. ^{[ 5 ]}

يتم الإشارة إلى المخرج المفتوح في المخططات باستخدام رموز IEEE التالية : ^{[ 7 ]}

⎐ – مخرج NPN ذو مجمع مفتوح أو ما شابه، قادر على توفير جهد منخفض نسبيًا بمقاومة منخفضة عند عدم إيقاف تشغيله. يتطلب مقاومة سحب خارجية. يدعم توصيل AND سلكي منطقي موجب.

⎒ – نسخة مزودة بمقاومة سحب داخلية لتوفير جهد عالٍ عند إيقاف التشغيل.

⎏ – مخرج NPN ذو باعث مفتوح أو ما شابه، قادر على توفير جهد عالٍ ذي مقاومة منخفضة نسبيًا عند عدم إيقاف تشغيله. يتطلب سحبًا خارجيًا سفليًا. يدعم التوصيل السلكي بتقنية OR المنطقية الموجبة.

⎑ – نسخة مزودة بمقاومة سحب داخلية لتوفير جهد منخفض عند إيقاف التشغيل.

ملاحظة: يتناول هذا القسم بشكل أساسي المجمعات المفتوحة npn، ومع ذلك ينطبق المصرف المفتوح nMOS بشكل عام أيضًا.

المنطق السلكي

من المزايا الأخرى إمكانية توصيل أكثر من مخرج جامع مفتوح بخط واحد. إذا كانت جميع مخارج الجامع المفتوح المتصلة بالخط مطفأة (أي في حالة مقاومة عالية)، فسيكون المقاوم الصاعد هو الجهاز الوحيد الذي يحدد جهد الخط، وسيرفع جهد الخط. أما إذا كان واحد أو أكثر من مخارج الجامع المفتوح المتصلة بالخط قيد التشغيل (أي موصلة بالأرض)، وبما أن أيًا منها قوي بما يكفي للتغلب على قدرة المقاوم الصاعد المحدودة على تثبيت الجهد عاليًا، فسيتم خفض جهد الخط. لهذا التوصيل المنطقي السلكي استخدامات متعددة.

بربط مخرجات عدة بوابات مفتوحة معًا وتوصيلها بمقاومة سحب لأعلى، يصبح الخط المشترك بمثابة بوابة AND سلكية في منطق الفاعلية العالية . يكون المخرج عاليًا (صحيحًا) فقط عندما تكون جميع البوابات في حالة المعاوقة العالية، ويكون منخفضًا (خاطئًا) في غير ذلك، كما هو الحال في بوابة AND المنطقية. عند التعامل معه كمنطق فاعلية منخفضة، فإنه يتصرف مثل بوابة OR المنطقية، حيث يكون المخرج منخفضًا (صحيحًا) عندما يكون أي مدخل منخفضًا. انظر منطق الترانزستور-الترانزستور §  منطق البوابات المفتوحة السلكية .

مشاركة الخط

تُستخدم مشاركة الخط للمقاطعات والحافلات (مثل I²C أو 1-Wire ). يُمكّن خرج المجمع المفتوح جهازًا نشطًا واحدًا من تشغيل الخط المشترك دون تداخل من الأجهزة الأخرى غير النشطة. في حال استخدام خرج الدفع والسحب عن طريق الخطأ ، سيتنافس الجهاز النشط الذي يحاول خفض جهد الخط مع الأجهزة الأخرى التي تحاول رفعه، مما سيؤدي إلى خرج غير متوقع وارتفاع في درجة الحرارة.

تستخدم أجهزة SCSI -1 مُجمِّعًا مفتوحًا للإشارات الكهربائية. ^{[ 9 ]} قد تستخدم أجهزة SCSI-2 وSCSI-3 معيار EIA-485 .

إحدى مشاكل هذه الأجهزة ذات المجمع المفتوح والأجهزة المشابهة المزودة بمقاومة سحب هي استهلاك المقاومة للطاقة باستمرار عندما يكون الخرج منخفضًا. تتطلب سرعات التشغيل العالية قيمًا أقل للمقاومة لزيادة سرعة السحب، مما يؤدي إلى استهلاك المزيد من الطاقة.

أيضًا عند تشغيل الحمل، فإن التيار المار عبر مقاومة السحب يقلل من جهد الخرج العالي بمقدار انخفاض في الجهد يساوي التيار مضروبًا في المقاومة، وفقًا لقانون أوم .

تتميز مشغلات التصريف المفتوح الزائف ( POD ) بقوة سحب سفلي عالية، ولكن بقوة سحب علوي أضعف. والهدف من ذلك هو تقليل استهلاك الطاقة الإجمالي مقارنةً باستخدام كلٍ من قوة السحب العلوي وقوة السحب السفلي العالية. ^{[ 10 ]} في المقابل، لا يمتلك مشغل التصريف المفتوح النقي أي قوة سحب علوي باستثناء تيار التسريب: إذ تتركز قوة السحب العلوي بالكامل على مقاومة الإنهاء الخارجية. ولهذا السبب يُستخدم مصطلح "زائف" هنا: حيث توجد بعض قوة السحب العلوي على جانب المشغل عندما يكون الخرج في حالة عالية، ويتم توفير قوة السحب العلوي المتبقية عن طريق إنهاء جهاز الاستقبال بالتوازي مع الطرف البعيد للجهد العالي، وغالبًا ما يتم ذلك باستخدام مُنهي قابل للتبديل مُدمج في الشريحة بدلاً من مقاومة منفصلة.

قامت JEDEC بتوحيد المصطلحات POD15، ^{[ 11 ]} POD125، ^{[ 12 ]} POD135، ^{[ 13 ]} وPOD12 ^{[ 14 ]} لفولتيات إمداد الواجهة 1.5  فولت، 1.25  فولت، 1.35  فولت، و1.2 فولت على التوالي. 

• مكبرات الترانزستور ذات المجمع المشترك وغيرها من مكبرات الترانزستور ذات الطرف المشترك : تستخدم بشكل أكبر للفولتيات التناظرية أكثر من الفولتيات الرقمية.
• مخرج الدفع والسحب : يتكون من ترانزستورات لتوفير واستقبال التيار في كلتا حالتي المنطق، وليس حالة واحدة فقط.
• منطق ثلاثي الحالات : يتكون من ترانزستورات لتوفير واستقبال التيار في كلتا حالتي المنطق، بالإضافة إلى عنصر تحكم لإيقاف تشغيل كلا الترانزستورين لعزل الخرج. يختلف هذا عن خرج المجمع/المصرف المفتوح، الذي يستخدم ترانزستورًا واحدًا فقط يمكنه فصل الخرج أو توصيله بالأرضي.