單片機(jī)I/O開(kāi)漏輸出詳解

我們先來(lái)說(shuō)說(shuō)集電極開(kāi)路輸出的結(jié)構(gòu)。集電極開(kāi)路輸出的結(jié)構(gòu)如圖1所示，右邊的那個(gè)三極管集電極什么都不接，所以叫做集電極開(kāi)路（左邊的三極管為反相之用，使輸入為“0”時(shí)，輸出也為“0”）。對(duì)于圖1，當(dāng)左端的輸入為“0”時(shí)，前面的三極管截止（即集電極C跟發(fā)射極E之間相當(dāng)于斷開(kāi)），所以5V電源通過(guò)1K電阻加到右邊的三極管上，右邊的三極管導(dǎo)通（即相當(dāng)于一個(gè)開(kāi)關(guān)閉合）；當(dāng)左端的輸入為“1”時(shí)，前面的三極管導(dǎo)通，而后面的三極管截止（相當(dāng)于開(kāi)關(guān)斷開(kāi)）。

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

再看圖三。圖三中那個(gè)1K的電阻即是上拉電阻。如果開(kāi)關(guān)閉合，則有電流從1K電阻及開(kāi)關(guān)上流過(guò)，但由于開(kāi)關(guān)閉其它三個(gè)口帶內(nèi)部上拉），當(dāng)我們要使用輸入功能時(shí)，只要將輸出口設(shè)置為1即可，這樣就相當(dāng)于那個(gè)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，而對(duì)于P0口來(lái)說(shuō)，就是高阻態(tài)了。

對(duì)于漏極開(kāi)路（OD）輸出，跟集電極開(kāi)路輸出是十分類似的。將上面的三極管換成場(chǎng)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(gè)開(kāi)關(guān)，當(dāng)要輸出高電平時(shí)，上面的開(kāi)關(guān)通，下面的開(kāi)關(guān)斷；而要輸出低電平時(shí)，則剛好相反。比起OC或者OD來(lái)說(shuō)，這樣的推挽結(jié)構(gòu)高、低電平驅(qū)動(dòng)能力都很強(qiáng)。如果兩個(gè)輸出不同電平的輸出口接在一起的話，就會(huì)產(chǎn)生很大的電流，有可能將輸出口燒壞。而上面說(shuō)的OC或OD輸出則不會(huì)有這樣的情況，因?yàn)樯侠娮杼峁┑碾娏鞅容^小。如果是推挽輸出的要設(shè)置為高阻態(tài)時(shí)，則兩個(gè)開(kāi)關(guān)必須同時(shí)斷開(kāi)（或者在輸出口上使用一個(gè)傳輸門(mén)），這樣可作為輸入狀態(tài)，AVR單片機(jī)的一些IO口就是這種結(jié)構(gòu)。

開(kāi)漏電路特點(diǎn)及應(yīng)用

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


組成開(kāi)漏形式的電路有以下幾個(gè)特點(diǎn)：
1. 利用外部電路的驅(qū)動(dòng)能力，減少I(mǎi)C內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)（或驅(qū)動(dòng)比芯片電源電壓高的負(fù)載）。當(dāng)IC內(nèi)部MOSFET導(dǎo)通時(shí)，驅(qū)動(dòng)電流是從外部的VCC流經(jīng)R pull-up ，MOSFET到GND。IC內(nèi)部?jī)H需很下的柵極驅(qū)動(dòng)電流。如圖1。
2. 可以將多個(gè)開(kāi)漏輸出的Pin，連接到一條線上。形成 “與邏輯” 關(guān)系。如圖1，當(dāng)PIN_A、PIN_B、PIN_C任意一個(gè)變低后，開(kāi)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(fù)載時(shí)，下降延是芯片內(nèi)的晶體管，是有源驅(qū)動(dòng)，速度較快；上升延是無(wú)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(huì)大。所以負(fù)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(jìn)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(kāi)漏Pin不連接外部的上拉電阻，則只能輸出低電平(因此對(duì)于經(jīng)典的51單片機(jī)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(wú)法輸出高電平邏輯)。一般來(lái)說(shuō)，開(kāi)漏是用來(lái)連接不同電平的器件，匹配電平用的。
5. 標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)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(jí)是上、下兩個(gè)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(gè)：電平轉(zhuǎn)換、線與。

7.線與功能主要用于有多個(gè)電路對(duì)同一信號(hào)進(jìn)行拉低操作的場(chǎng)合，如果本電路不想拉低，就輸出高電平，因?yàn)镺PEN-DRAIN上面的管子被拿掉，高電平是靠外接的上拉電阻實(shí)現(xiàn)的。（而正常的CMOS輸出級(jí)，如果出現(xiàn)一個(gè)輸出為高另外一個(gè)為低時(shí)，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(diǎn)，就是帶來(lái)上升沿的延時(shí)。因?yàn)樯仙厥峭ㄟ^(guò)外接上拉無(wú)源電阻對(duì)負(fù)載充電，所以當(dāng)電阻選擇小時(shí)延時(shí)就小，但功耗大；反之延時(shí)大功耗小。所以如果對(duì)延時(shí)有要求，則建議用下降沿輸出。

應(yīng)用中需注意：1. 開(kāi)漏和開(kāi)集的原理類似，在許多應(yīng)用中我們利用開(kāi)集電路代替開(kāi)漏電路。例如，某輸入Pin要求由開(kāi)漏電路驅(qū)動(dòng)。則我們常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)方式是利用一個(gè)三極管組成開(kāi)集電路來(lái)驅(qū)動(dòng)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(shuō)的推挽輸出，在CMOS電路里面應(yīng)該較CMOS輸出更合適，因?yàn)樵贑MOS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(kāi)漏輸出相比，push－pull的高低電平由IC的電源低定，不能簡(jiǎn)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(jí)設(shè)計(jì)方式。
當(dāng)然open drain也不是沒(méi)有代價(jià)，這就是輸出的驅(qū)動(dòng)能力很差。輸出的驅(qū)動(dòng)能力很差的說(shuō)法不準(zhǔn)確，驅(qū)動(dòng)能力取決于IC中的末級(jí)晶體管功率。OD只是帶來(lái)上升沿的延時(shí)，因?yàn)樯仙厥峭ㄟ^(guò)外接上拉無(wú)源電阻對(duì)負(fù)載充電的，當(dāng)電阻選擇小時(shí)延時(shí)就小、但功耗大，反之延時(shí)大功耗小。OPEN DRAIN提供了靈活的輸出方式，但也是有代價(jià)的，如果對(duì)延時(shí)有要求，建議用下降沿輸出。
電阻小延時(shí)小的前提條件是電阻選擇的原則應(yīng)在末級(jí)晶體管功耗允許范圍內(nèi)，有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)者在使用邏輯芯片時(shí)，不會(huì)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(guò)上拉無(wú)源電阻對(duì)負(fù)載充電，顯然電阻越小上升時(shí)間越短，在脈沖的下降沿，除了負(fù)載通過(guò)有源晶體管放電外，電源也通過(guò)上拉電阻和導(dǎo)通的晶體管對(duì)地 形成通路，帶來(lái)的問(wèn)題是芯片的功耗和耗電問(wèn)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(diǎn)，以減少對(duì)地通路的 電流。如果對(duì)上升沿時(shí)間要求較高，電阻大小的選擇應(yīng)以芯片功耗為參考。