[전자공학] Open Drain & Open Collector

-글의 참고

- https://forum.digikey.com/t/what-does-open-drain-mean/716

- https://www.analog.com/en/design-center/glossary/open-drain-collector.html

- https://irmus.tistory.com/76

- https://cookbook.tistory.com/20

- https://gdnn.tistory.com/281

- https://gdnn.tistory.com/281

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글의 전제

- 내가 글을 쓰다가 궁금한 점은 파란색 볼드체로 표현했다. 나도 모르기 때문에 나중에 알아봐야 할 내용이라는 뜻이다.

- 밑줄로 작성된 글은 좀 더 긴 설명이 필요해서 친 것이다. 그러므로, 밑 줄 처친 글이 이해가 안간다면 링크를 따라서 관련 내용을 공부하자.

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글의 내용

- Overview

" Open-drain 및 Open-collector 는 output 핀을 만들기 위해 하나의 transistor 만을 사용하는 회로를 의미한다. 각각의 회로는 아래와 같다. 이름 그대로 Collector 혹은 Drain 핀이 외부로 Open 되어 있다. 푸쉬-풀 출력단과는 달리 밀어올려주는 위쪽 절반이 없다. 즉, 내부 전원이 없기 때문에, 외부 전원에 의존하는 구조다. 더군다나 VCC 나 VDD 와도 연결되어 있지 않다. 반쪽짜리 미완성 회로인 것이다. 다시 스위치 모델을 생각해보자. NPN TR 이나 N-MOS가 ON 되었을 경우에는 Output port 가 GND 로 당겨지므로, 0V 출력이 나가게 된다. 이 반쪽은 잘 동작할 것이다. 반면, NPN TR이나 N-MOS 가 OFF 되었을 경우 Output port 는 floating 상태가 되어버린다(소위 Uknown state 가 된다).

 

 

 

" Open drain 출력단은 말 그대로 미완성 회로다. 이 상태만으로는 제대로 동작하지 않는다. 그러면 왜 이렇게 사용하는 것일까? 그것은 바로 입맛에 맞게 알아서 꾸며 쓰게 하기 위함이다. Open drain 출력단이 필요한 경우는 여러가지가 있다. 대표적인 예로 `level shifter, bus` 등이 있다.

 

 

" 위 그림에서 왼쪽의 큰 상자를 MCU 라 보고, 오른쪽 작은 상자를 센서칩이라고 생각해보자. 그리고, 오픈 드레인 출력인 Output port 를 오른쪽에 있는 sensor 의 입력 포트에 연결한다고 치자. MCU 가 사용하는 VDD 는 3.3V이다. 센서 칩이 사용하는 전원(VCC)는 5V다. 이처럼 칩들이 사용하는 전원 전압이 서로 다른 경우, 바로 연결하면 문제가 발생할 여지가 크다. 이를 해결하는 한 가지 수단으로 open drain 혹 open collector 를 사용할 수 있다. 위 회로처럼 외부에 풀업 저항(V_EXT)을 하나 달아주게 되면 레벨 시프터가 구성된다(반드시 PULL-UP 저항일 필요는 없다. 다른 디바이스의 핀이 연결될 수 도 있다). MCU 내부의 N-MOS 스위치가 ON 되었을 경우, Output port가 0V로 당겨진다(PULL). 반면, N-MOS 스위치가 OFF 되었을 경우, Output port는 외부 풀업 저항에 의해 V_EXT로 묶여 올라가게 된다(PUSH). 위에서 `위 회로처럼 외부에 풀업 저항을 하나 달아주게 되면 레벨 시프터가 구성된다`라고 했는데, 이게 무슨 말일까?

 

" `MOSFET N`을 OFF 하면, `플로팅 상태` 가 되버린다. 왜? 회로가 `개방(open or hi-z)` 되어버리기 때문이다. 플로팅 상태에서 외부 전압(5V)를 걸어주면, 걸어주는데로 따라가게 된다. 그래서, 위의 예시는 마치 `3.3V -> 5V` 가 된 것 처럼 보이는 것이다. V_EXT가 4V라면, 외부에 보이는 모습은 `3.3V -> 4V`로 레벨 시프트 된 것 처럼 보일 것이다.