單片機I/O開漏輸出詳解

我們先來說說集電極開路輸出的結(jié)構(gòu)。集電極開路輸出的結(jié)構(gòu)如圖1所示，右邊的那個三極管集電極什么都不接，所以叫做集電極開路（左邊的三極管為反相之用，使輸入為“0”時，輸出也為“0”）。對于圖1，當左端的輸入為“0”時，前面的三極管截止（即集電極C跟發(fā)射極E之間相當于斷開），所以5V電源通過1K電阻加到右邊的三極管上，右邊的三極管導通（即相當于一個開關(guān)閉合）；當左端的輸入為“1”時，前面的三極管導通，而后面的三極管截止（相當于開關(guān)斷開）。

我們將圖1簡化成圖2的樣子。圖2中的開關(guān)受軟件控制，“1”時斷開，“0”時閉合。很明顯可以看出，當開關(guān)閉合時，輸出直接接地，所以輸出電平為0。而當開關(guān)斷開時，則輸出端懸空了，即高阻態(tài)。這時電平狀態(tài)未知，如果后面一個電阻負載（即使很輕的負載）到地，那么輸出端的電平就被這個負載拉到低電平了，所以這個電路是不能輸出高電平的。

再看圖三。圖三中那個1K的電阻即是上拉電阻。如果開關(guān)閉合，則有電流從1K電阻及開關(guān)上流過，但由于開關(guān)閉其它三個口帶內(nèi)部上拉），當我們要使用輸入功能時，只要將輸出口設(shè)置為1即可，這樣就相當于那個開關(guān)斷開，而對于P0口來說，就是高阻態(tài)了。

對于漏極開路（OD）輸出，跟集電極開路輸出是十分類似的。將上面的三極管換成場效應(yīng)管即可。這樣集電極就變成了漏極，OC就變成了OD，原理分析是一樣的。

另一種輸出結(jié)構(gòu)是推挽輸出。推挽輸出的結(jié)構(gòu)就是把上面的上拉電阻也換成一個開關(guān)，當要輸出高電平時，上面的開關(guān)通，下面的開關(guān)斷；而要輸出低電平時，則剛好相反。比起OC或者OD來說，這樣的推挽結(jié)構(gòu)高、低電平驅(qū)動能力都很強。如果兩個輸出不同電平的輸出口接在一起的話，就會產(chǎn)生很大的電流，有可能將輸出口燒壞。而上面說的OC或OD輸出則不會有這樣的情況，因為上拉電阻提供的電流比較小。如果是推挽輸出的要設(shè)置為高阻態(tài)時，則兩個開關(guān)必須同時斷開（或者在輸出口上使用一個傳輸門），這樣可作為輸入狀態(tài)，AVR單片機的一些IO口就是這種結(jié)構(gòu)。

開漏電路特點及應(yīng)用

在電路設(shè)計時我們常常遇到開漏（open drain）和開集（open collector）的概念。
所謂開漏電路概念中提到的“漏”就是指MOSFET的漏極。同理，開集電路中的“集”就是指三極管的集電極。開漏電路就是指以MOSFET的漏極為輸出的電路。一般的用法是會在漏極外部的電路添加上拉電阻。完整的開漏電路應(yīng)該由開漏器件和開漏上拉電阻組成。如圖1所示：


組成開漏形式的電路有以下幾個特點：
1. 利用外部電路的驅(qū)動能力，減少IC內(nèi)部的驅(qū)動（或驅(qū)動比芯片電源電壓高的負載）。當IC內(nèi)部MOSFET導通時，驅(qū)動電流是從外部的VCC流經(jīng)R pull-up ，MOSFET到GND。IC內(nèi)部僅需很下的柵極驅(qū)動電流。如圖1。
2. 可以將多個開漏輸出的Pin，連接到一條線上。形成 “與邏輯” 關(guān)系。如圖1，當PIN_A、PIN_B、PIN_C任意一個變低后，開漏線上的邏輯就為0了。這也是I2C，SMBus等總線判斷總線占用狀態(tài)的原理。如果作為輸出必須接上拉電阻。接容性負載時，下降延是芯片內(nèi)的晶體管，是有源驅(qū)動，速度較快；上升延是無源的外接電阻，速度慢。如果要求速度高電阻選擇要小，功耗會大。所以負載電阻的選擇要兼顧功耗和速度。
3. 可以利用改變上拉電源的電壓，改變傳輸電平。如圖2, IC的邏輯電平由電源Vcc1決定，而輸出高電平則由Vcc2（上拉電阻的電源電壓）決定。這樣我們就可以用低電平邏輯控制輸出高電平邏輯了（這樣你就可以進行任意電平的轉(zhuǎn)換）。（例如加上上拉電阻就可以提供TTL/CMOS電平輸出等。）

4. 開漏Pin不連接外部的上拉電阻，則只能輸出低電平(因此對于經(jīng)典的51單片機的P0口而言，要想做輸入輸出功能必須加外部上拉電阻，否則無法輸出高電平邏輯)。一般來說，開漏是用來連接不同電平的器件，匹配電平用的。
5. 標準的開漏腳一般只有輸出的能力。添加其它的判斷電路，才能具備雙向輸入、輸出的能力。

6.正常的CMOS輸出級是上、下兩個管子，把上面的管子去掉就是OPEN-DRAIN了。這種輸出的主要目的有兩個：電平轉(zhuǎn)換、線與。

7.線與功能主要用于有多個電路對同一信號進行拉低操作的場合，如果本電路不想拉低，就輸出高電平，因為OPEN-DRAIN上面的管子被拿掉，高電平是靠外接的上拉電阻實現(xiàn)的。（而正常的CMOS輸出級，如果出現(xiàn)一個輸出為高另外一個為低時，等于電源短路。）

8.OPEN-DRAIN提供了靈活的輸出方式，但是也有其弱點，就是帶來上升沿的延時。因為上升沿是通過外接上拉無源電阻對負載充電，所以當電阻選擇小時延時就小，但功耗大；反之延時大功耗小。所以如果對延時有要求，則建議用下降沿輸出。

應(yīng)用中需注意：1. 開漏和開集的原理類似，在許多應(yīng)用中我們利用開集電路代替開漏電路。例如，某輸入Pin要求由開漏電路驅(qū)動。則我們常見的驅(qū)動方式是利用一個三極管組成開集電路來驅(qū)動它，即方便又節(jié)省成本。如圖4。

2. 上拉電阻R pull-up的阻值決定了邏輯電平轉(zhuǎn)換的沿的速度。阻值越大，速度越低功耗越小。反之亦然。
Push-Pull輸出就是一般所說的推挽輸出，在CMOS電路里面應(yīng)該較CMOS輸出更合適，因為在CMOS里面的push－pull輸出能力不可能做得雙極那么大。輸出能力看IC內(nèi)部輸出極N管P管的面積。和開漏輸出相比，push－pull的高低電平由IC的電源低定，不能簡單的做邏輯操作等。push－pull是現(xiàn)在CMOS電路里面用得最多的輸出級設(shè)計方式。
當然open drain也不是沒有代價，這就是輸出的驅(qū)動能力很差。輸出的驅(qū)動能力很差的說法不準確，驅(qū)動能力取決于IC中的末級晶體管功率。OD只是帶來上升沿的延時，因為上升沿是通過外接上拉無源電阻對負載充電的，當電阻選擇小時延時就小、但功耗大，反之延時大功耗小。OPEN DRAIN提供了靈活的輸出方式，但也是有代價的，如果對延時有要求，建議用下降沿輸出。
電阻小延時小的前提條件是電阻選擇的原則應(yīng)在末級晶體管功耗允許范圍內(nèi)，有經(jīng)驗的設(shè)計者在使用邏輯芯片時，不會選擇1歐姆的電阻作為上拉電阻。在脈沖的上升沿電源通過上拉無源電阻對負載充電，顯然電阻越小上升時間越短，在脈沖的下降沿，除了負載通過有源晶體管放電外，電源也通過上拉電阻和導通的晶體管對地 形成通路，帶來的問題是芯片的功耗和耗電問題。電阻影響上升沿，不影響下降沿。如果使用中不關(guān)心上升沿，上拉電阻就可選擇盡可能的大點，以減少對地通路的 電流。如果對上升沿時間要求較高，電阻大小的選擇應(yīng)以芯片功耗為參考。