目次
用途
回路動作
非常に良い流れです。
ここであなたのケースをわかりやすく整理すると、これはいわゆる
👉 「レベルシフタ兼ラインドライバ（有線AND）＋入力バッファ」 回路
です。
RTC（リアルタイムクロック）などの I²C風の双方向信号（SCK/SIO） に使われる典型的なオープンコレクタ構成です。
🔍 全体のイメージ（構成）
┌──────────┐ ┌──────────┐
│ ロジックIC │───Rin──▶│ デジタルトランジスタ │───┐
│（3.3V系） │ │（NPN+BRT）│ │
└──────────┘ └────┬──────┘ │
│ │
RPU=10kΩ │ SCK/SIO線
│ │
3.0V(＝RTC電源) │
│ │
└───────────▶ RTC（3.0V系）
- ロジックIC（3.3V系） → トランジスタ入力（Vi）
- デジトラ出力（コレクタ） → SCK/SIOライン → RTC（3.0V系）
- ラインはプルアップ抵抗RPUで上がっており、どちらもLOWにできる（有線AND構成）
⚙️ 回路の役割をざっくり3層で整理
| 層 | 回路要素 | 主な機能 |
|---|---|---|
| ① 入力層 | ロジックIC + 入力抵抗群 + デジトラ内部R1/R2 | レベル変換と入力電流制御 |
| ② スイッチ層 | デジトラ（NPN） | ラインをLOWに引き下げる（シンク） |
| ③ 出力層 | プルアップ抵抗RPU + SCK/SIOバス | ライン保持＋論理合成（有線AND）＋レベル出力 |
🧭 各動作フェーズの流れ（時系列で説明）
フェーズ1：ロジックIC出力が “LOW” のとき
- ロジック出力が 0 V → 入力抵抗を通ってデジトラのベースに電流が流れない。
- ベース＝0V、エミッタ＝GND ⇒ ベースエミッタ間電圧 VBE≒0 → トランジスタOFF。
- コレクタ（出力側）は開放状態 → RPUにより ラインがVPU（3.0V）まで上昇。
- 結果：
- SCK/SIOラインは HIGH（3.0V）
- RTCもこのHIGHを検出
- ロジックICから見れば「LOW出力」だが、ラインはHIGHレベル ⇒ レベルシフト完了
✅ ポイント
3.3Vロジック → 3.0Vラインへのレベル変換が自然に実現している。
フェーズ2：ロジックIC出力が “HIGH” のとき
フェーズ3：RTC側がSIOをLOWにするとき（双方向時）
- トランジスタ側はOFF（ベース電流=0）。
- RTCが内部トランジスタでSIOをGNDへ引き下げる。
- ライン電圧はRTC側でLOW（0.1V程度）に固定。
- このLOWが同じラインでロジックICへフィードバックされ、
ロジック入力バッファ（SIO読戻し端子）がLOWを検出。
✅ ポイント
- 双方向バスでも電流が衝突しない。
両者とも「LOWに引く」ことしかできず、HIGHは抵抗経由。
→ 有線AND（wired-AND）動作。
フェーズ4：双方がHIGH（または開放）なら
- どちらもOFFなので、ラインはRPUでHIGH。
- これが**“1”として解釈される**。
- だから「AND」：
- A=1, B=1 → ライン=1
- A=1, B=0 or A=0, B=1 → ライン=0
- A=0, B=0 → ライン=0
📊 まとめ（信号フローで整理）
| 状況 | ロジックIC出力 | デジトラ状態 | SCK/SIOライン電圧 | RTC視点 | ロジック入力（読戻し） |
|---|---|---|---|---|---|
| HIGH出力 | 3.3 V | ON（飽和） | 約0.1 V | LOW検出 | LOW（0検出） |
| LOW出力 | 0 V | OFF | 3.0 V | HIGH検出 | HIGH（1検出） |
| 双方向時（RTC出力LOW） | OFF | OFF | 約0.1 V | LOW送信 | LOW検出（読戻し） |
| 双方向時（RTC出力HIGH） | OFF | OFF | 3.0 V | HIGH送信 | HIGH検出（読戻し） |
🔧 設計の狙いと効果
| 項目 | 目的 | 設計上のポイント |
|---|---|---|
| レベル変換 | 3.3V系 ⇔ 3.0V系の接続 | ベース抵抗R群で安全分圧＆電流制限 |
| ラインドライバ | SCK/SIOを確実にLOWへ | 飽和設計（β_forced 10〜30） |
| 有線AND | 双方向の論理衝突防止 | プルアップで論理OR/AND成立 |
| 入力バッファ | RTC信号をロジックに戻す | コレクタ電位読取り |
| サージ保護 | コネクタ経由の±入力 | 分散抵抗＋B-E逆耐圧で吸収 |
💡 直感的な比喩
- デジトラ＝“水道のバルブ”
→ ベース信号で「水（電流）」を通すか止めるか。 - RPU＝“ばね”
→ バルブが閉まっているときに自然に押し戻してラインをHIGHに戻す。 - 有線AND＝“共有パイプ”
→ 誰か一人でも水を抜けば全体がLOW（水が抜ける）。
→ 誰も引かなければバネで押し戻されてHIGH。
✅ 最後に：この構成が採用される理由
- I²CやRTC通信などの双方向・複数デバイス接続が可能
- 電源が異なるロジック（3.3V↔3.0Vなど）を簡単に接続できる
- 部品が少なく、サージにも強い
- 低消費電力・高信頼・シンプルな構成
前提（今回の数値）
- RTC側電源（=プルアップ電圧）VPU=3.0 V
- プルアップ抵抗 RPU=10 kΩ（SCK と SIO どちらも同値とする）
- バス容量 CBUS=100 pF（配線＋RTC＋端子容量の合算）
- ロジック出力電圧 VOH≈3.3 V（3.3 V系）、入力しきい：VIH,min=2.0 V / VIL,max=0.8 V
- デジトラ内部 R1=1 kΩ, R2=1 kΩ、VBE ≈ 0.70 V、VCE(sat)@mA級 ≈ 0.05…0.10 V
- 前段の直列保護抵抗：1 kΩ（2直×2並列＝等価1 kΩ）＋ 2.2 kΩ
- 設計の強制β β_forced=20（スイッチ用途の推奨レンジ10〜30）
追加の設計“すぐ使える式”⛏️
