オープンドレインのHは誰が作る？――プルアップと電流の通り道

出力端子の内側と外側を分けて描く

図の出力点は、IC内のNチャネルMOSFETのドレインにつながる。ソース側はGNDへつながり、ゲートはIC内部の制御回路が操作する。外には、出力点とプルアップ電源の間に抵抗がある。接続先の入力は、この出力点の電圧をGND基準で読む。ここでは入力へ流れる直流電流が小さい場合を考える。

「オープン」は、基板上の配線を切っておくという指示ではない。出力段にHへ押し上げるトランジスタがなく、ドレインが端子へ出ている構成の名前である。ICの電源電圧と、プルアップする電圧は別々に確認する。違う電圧を使える製品もあるが、出力端子と接続先の許容範囲内という条件付きである。

オンでは、Hを作る抵抗にも電流が流れる

内部MOSFETがオンになると、プルアップ電源から抵抗、出力点、MOSFETを通ってGNDへ電流が流れる。接続先の入力へ大きな電流を送り込むのではなく、出力段が電流を吸い込んで出力電圧を低くする。これがシンク動作である。トランジスタがオンなのに信号はL、という組み合わせを分けて覚えたい。

抵抗はH側へつなぐためだけにあるのではない。Lのときに電源からGNDへ流れる電流を制限する役割も持つ。抵抗を導線に置き換えると、この制限を失う。実際のオン状態には電圧降下があり、Lは厳密な0Vとは限らない。受信側がLと認める電圧範囲と、出力段の流せる電流を合わせて読む必要がある。

オフはHi-Zであり、直ちにHではない

MOSFETをオフにすると、GNDへの経路は高い抵抗に相当する状態へ移る。これをハイインピーダンス、Hi-Zと呼ぶ。しかしHi-Zは端子の電圧値ではない。外部に適切なプルアップがあれば出力がH側へ上がるが、その経路がなければ、オフにしたことだけからHとは決められない。

上がる途中には、配線や入力端子にある容量へ電荷を与える電流が流れる。外付けコンデンサを描いていなくても、この容量は存在する。十分に落ち着き、漏れや入力電流を無視できれば、抵抗を流れる電流と電圧降下は小さくなり、出力はプルアップ電圧に近づく。「抵抗が電圧を生む」のではなく、外部電源が抵抗を通して電荷を供給するのである。

このため抵抗を大きくすると、L時の電流は抑えやすい一方、同じ容量を充電する立ち上がりは遅くなる。漏れ電流の影響でHの電圧が下がることもある。小さいほど常によい、大きいほど省電力でよい、とは決められない。本稿では万能な抵抗値を示さず、電圧・電流・時間の条件を分ける。

論理の意味と、端子の方式は別の情報である

東芝のホールIC資料には、磁界の状態に対してLを出す形式と、Hi-Zへ移る出力反転形式が示されている。オープンドレインという語だけでは、「検知したらL」か「検知したらH側」かは決まらない。出力段の構成に加え、機能表でどの状態がオンになるかを見る。

プッシュプル方式は、H側とL側を能動的に駆動する経路を持つ。オープンドレインと同じつもりで複数の出力を直結してはならない。片方がH、もう片方がLを駆動すると競合し得るためである。ここで必要なのは優劣の順位ではなく、誰が信号線の電圧を決める構成なのかという読み分けである。

職務説明につなぐ前に、三つを言葉にする

IC設計や組み込み回路の仕事を調べる入口では、端子名だけでなく、受け渡す電圧と電流経路を説明できると理解が進む。今回はMOSFETの構造設計や通信規格の条件へ広げず、接続図を読む基礎にとどめる。採用要件や面接の出題を示すものではない。

自分で確認する問いは三つである。Lのとき、電源からGNDまでどこを通るか。Hi-Zのとき、Hへ上げる電源と経路はどこにあるか。Hへ移る途中と落ち着いた後で、抵抗を流れる電流はどう違うか。図を見ずにこの三つを説明できれば、MOSFETのオン・オフとデジタル信号のH・Lを混同せずに次の回路を読める。