集电极开路、漏极开路、上拉电阻、下拉电阻、弱上拉、三态门、准双向口等基本概念

1. 集电极开路输出

     在电路中常会遇到漏极开路（Open Drain）和集电极开路（Open Collector）两种情形。漏极开路电路概念中提到的“漏”是指 MOSFET的漏极。同理，集电极开路电路中的“集”就是指三极管的集电极。在数字电路中，分别简称OD门和OC门。

我们先来说说集电极开路输出的结构。集电极开路输出的结构如图1所示，右边的那个三极管集电极什么都不接，所以叫做集电极开路（左边的三极管为反相之用，使输入为“0”时，输出也为“0”）。对于图 1，当左端的输入为“0”时，前面的三极管截止（即集电极c跟发射极e之间相当于断开），所以5v电源通过1k电阻加到右边的三极管上，右边的三极管导通（即相当于一个开关闭合）；当左端的输入为“1”时，前面的三极管导通，而后面的三极管截止（相当于开关断开）。

我们将图1简化成图2的样子。图2中的开关受软件控制，“1”时断开，“0”时闭合。很明显可以看出，当开关闭合时，输出直接接地，所以输出电平为0。而当开关断开时，则输出端悬空了，即高阻态。这时电平状态未知，如果后面一个电阻负载（即使很轻的负载）到地，那么输出端的电平就被这个负载拉到低电平了，所以这个电路是不能输出高电平的。
再看图3，图3中那个1k的电阻即是上拉电阻。如果开关闭合，则有电流从1k电阻及开关上流过，但由于开关闭和时电阻为0（方便我们的讨论，实际情况中开关电阻不为0，另外对于三极管还存在饱和压降），所以在开关上的电压为0，即输出电平为0。如果开关断开，则由于开关电阻为无穷大（同上，不考虑实际中的漏电流），所以流过的电流为0，因此在1k 电阻上的压降也为0，所以输出端的电压就是5v了，这样就能输出高电平了。但是这个输出的内阻是比较大的（即1kω），如果接一个电阻为r的负载，通过分压计算，就可以算得最后的输出电压为5*r/(r+1000)伏，即5/(1+1000/r)伏。所以，如果要达到一定的电压的话，r就不能太小。如果r 真的太小，而导致输出电压不够的话，那我们只有通过减小那个1k的上拉电阻来增加驱动能力。但是，上拉电阻又不能取得太小，因为当开关闭合时，将产生电流，由于开关能流过的电流是有限的，因此限制了上拉电阻的取值，另外还需要考虑到，当输出低电平时，负载可能还会给提供一部分电流从开关流过，因此要综合这些电流考虑来选择合适的上拉电阻。

如果我们将一个读数据用的输入端接在输出端，这样就是一个io口了（51的io口就是这样的结构，其中p0口内部不带上拉，而其它三个口带内部上拉），当我们要使用输入功能时，只要将输出口设置为1即可，这样就相当于那个开关断开，而对于p0口来说，就是高阻态了。

可以看出集电极开路是无法输出高电平的，如果要想输出高电平可以在输出端加上上拉电阻。因此集电极开路输出可以用做电平转换，通过上拉电阻上拉至不同的电压，来实现不同的电平转换。 

 用做驱动器。由于OC门电路的输出管的集电极悬空，使用时需外接一个上拉电阻Rp到电源VCC。OC门使用上拉电阻以输出高电平，此外为了加大输出引脚的驱动能力，上拉电阻阻值的选择原则，从降低功耗及芯片的灌电流能力考虑应当足够大；从确保足够的驱动电流考虑应当足够小。

集电极开路输出除了可以实现多门的线与逻辑关系外，通过使用大功率的三极管还可用于直接驱动较大电流的负载，如继电器、脉冲变压器、指示灯等。

 

2. 漏极开路输出

和集电极开路一样，顾名思义，开漏电路就是指从MOSFET的漏极输出的电路。典型的用法是在漏极外部的电路添加上拉电阻到电源如图所示。完整的开漏电路应由开漏器件和开漏上拉电阻组成。这里的上拉电阻R的阻值决定了逻辑电平转换的上升/下降沿的速度。阻值越大，速度越低，功耗越小。因此在选择上拉电阻时要兼顾功耗和速度。标准的开漏脚一般只有输出的能力。添加其它的判断电路，才能具备双向输入、输出的能力。

对于漏极开路（od）输出，跟集电极开路输出是十分类似的。将上面的三极管换成场效应管即可。这样集电极就变成了漏极，oc就变成了od，原理分析是一样的。

 

                         图4

很多单片机等器件的I/O就是漏极开路形式，或者可以配置成漏极开路输出形式，如51单片机的P0口就为漏极开路输出。在实际应用中可以将多个开漏输出的引脚连接到一条线上，这样就形成“线与逻辑”关系。注意这个公共点必须接一个上拉电阻。当这些引脚的任一路变为逻辑0后，开漏线上的逻辑就为0了。在I²C等接口总线中就用此法判断总线占用状态。

 

同集电极开路一样，利用外部电路的驱动能力，减少IC内部的驱动。当IC内部MOSFET导通时，驱动电流是从外部的VCC流经上拉电阻，再经MOSFET到GND。IC内部仅需很下的栅极驱动电流，因此漏极开路也常用于驱动电路中。

3. 推挽输出

推挽输出的结构就是把上面图3的上拉电阻也换成一个开关，当要输出高电平时，上面的开关通，下面的开关断；而要输出低电平时，则刚好相反。比起oc或者od来说，这样的推挽结构高、低电平驱动能力都很强。如果两个输出不同电平的输出口接在一起的话，就会产生很大的电流，有可能将输出口烧坏。而上面说的oc或od输出则不会有这样的情况，因为上拉电阻提供的电流比较小。如果是推挽输出的要设置为高阻态时，则两个开关必须同时断开（或者在输出口上使用一个传输门），这样可作为输入状态，avr单片机的一些io 口就是这种结构。

在功率放大器电路中经常采用推挽放大器电路，这种电路中用两只三极管构成一级放大器电路，如图5所示。两只三极管分别放大输入信号的正半周和负半周，即用一只三极管放大信号的正半周，用另一只三极管放大信号的负半周，两只三极管输出的半周信号在放大器负载上合并后得到一个完整周期的输出信号。

                               图5

推挽放大器电路中，一只三极管工作在导通、放大状态时，另一只三极管处于截止状态，当输入信号变化到另一个半周后，原先导通、放大的三极管进入截止，而原先截止的三极管进入导通、放大状态，两只三极管在不断地交替导通放大和截止变化，所以称为推挽放大器。输出既可以向负载灌电流，也可以从负载抽取电流

 

---------------------------------------------------------------------------

单片机内部的逻辑经过内部的逻辑运算后需要输出到外面，外面的器件可能需要较大的电流才能推动，因此在单片机的输出端口必须有一个驱动电路。这种驱动电路有两种形式：

其中的一种是采用一只N型三极管（npn或n沟道），以npn三极管为例，就是e接地，b接内部的逻辑运算，c引出，b受内部驱动可以控制三极管是否导通但如果三极管的c极一直悬空，尽管b极上发生高低变化，c极上也不会有高低变化，因此在这种条件下必须在外部提供一个电阻，电阻的一端接c(引出脚）另一端接电源，这样当三极管的b有高电压是三极管导通，c电压为低，当b为低电压时三极管不通，c极在电阻的拉动下为高电压，这种驱动电路有个特点：低电压是三极管驱动的，高电压是电阻驱动的（上下不对称），三极管导通时的ec内阻很小，因此可以提供很大的电流，可以直接驱动led甚至继电器，但电阻的驱动是有限的，最大高电平输出电流=(vcc-Vh)/r；

另一种是互补推挽输出，采用2只晶体管，一只在上一只在下，上面的一只是n型，下面为p型（以三极管为例），两只管子的连接为：npn（上）的c连 vcc，pnp（下）的c接地，两只管子的ee,bb相连，其中ee作为输出（引出脚），bb接内部逻辑，这个电路通常用于功率放大点路的末级（音响），当bb接高电压时npn管导通输出高电压，由于三极管的ec电阻很小，因此输出的高电压有很强的驱动能力，当bb接低电压时npn截至，pnp导通，由于三极管的ec电阻很小因此输出的低电压有很强的驱动能力，简单的例子，9013导通时ec电阻不到10欧，以Vh=2.5v，vcc=5v计算，高电平输出电流最大=250MA，短路电流500ma，这个计算同时告诉我们采用推挽输出时一定要小心千万不要出现外部电路短路的可能，否则肯定烧毁芯片，特别是外部驱动三极管时别忘了在三极管的基极加限流电阻。推挽输出电路的形式很多，有些单片机上下都采用n型管，但内部逻辑提供互补输出，以上的说明仅仅为了说明推挽的原理，为了更深的理解可以参考功率放大电路。

---------------------------------------------------------------------------

集电极开路门(集电极开路OC或源极开路OD)

漏极开路输出相当于集电极开路输出。漏极开路是对mos管而言，集电极开路是对三极型管而言。一般用于线或、线与、电流驱动，匹配电平。

开漏形式的电路有以下几个特点：

1.利用外部电路的驱动能力，减少IC内部的驱动， 或驱动比芯片电源电压高的负载。

2.可以将多个开漏输出的Pin，连接到一条线上。通过一只上拉电阻，在不增加任何器件的情况下，形成“与逻辑”关系。这也是I2C，SMBus等总线判断总线占用状态的原理。

3.由于漏级开路，所以后级电路必须接一上拉电阻，上拉电阻的电源电压就可以决定输出电平。这样就可以进行任意电平的转换了。

4.源极开路提供了灵活的输出方式，但是也有其弱点，就是带来上升沿的延时。因为上升沿是通过外接上拉无源电阻对负载充电，所以当电阻选择小时延时就小，但功耗大；反之延时大功耗小。所以如果对延时有要求，则建议用下降沿输出。

 

4. 上拉电阻与下拉电阻

在嵌入式接口的相关应用中经常提到上拉电阻与下拉电阻，顾名思义，上拉电阻就是把端口连接到电源的电阻，下拉电阻就是把端口连接到地的电阻。虽然电路形式非常简单，然而上拉电阻与下拉电阻在很多场合却扮演着非常重要的作用。

上拉电阻很大，提供的驱动电流很小，叫弱上拉；反之叫强上拉。

---------------------------------------------------------------------------

OC门，又称集电极开路（漏极开路）与非门门电路，Open Collector（Open Drain）。为什么引入OC门？实际使用中,有时需要两个或两个以上与非门的输出端连接在同一条导线上，将这些与非门上的数据（状态电平）用同一条导线输送出去。因此，需要一种新的与非门电路--OC门来实现“线与逻辑”。OC门主要用于3个方面：实现与或非逻辑，用做电平转换，用做驱动器。由于OC门电路的输出管的集电极悬空，使用时需外接一个上拉电阻Rp到电源VCC。OC门使用上拉电阻以输出高电平，此外为了加大输出引脚的驱动能力，上拉电阻阻值的选择原则，从降低功耗及芯片的灌电流能力考虑应当足够大；从确保足够的驱动电流考虑应当足够小。

为什么要使用拉电阻：

上拉就是将不确定的信号通过一个电阻嵌位在高电平，电阻同时起限流作用。下拉同理。

上拉是对器件注入电流，下拉是输出电流，弱强只是上拉电阻的阻值不同，没有什么严格区分。

对于非集电极（或漏极）开路输出型电路（如普通门电路）提升电流和电压的能力是有限的，上拉电阻的功能主要是为集电极开路输出型电路输出电流通道。

上拉电阻应用：

1、当TTL电路驱动COMS电路时，如果TTL电路输出的高电平低于COMS电路的最低高电平（一般为3.5V），这时就需要在TTL的输出端接上拉电阻，以提高输出高电平的值。

2、OC门电路要输出“1”时才需要加上拉电阻，不加根本就没有高电平。

3、为加大输出引脚的驱动能力，有的单片机管脚上也常使用上拉电阻，但在有时用OC门作驱动（例如：控制一个 LED）灌电流工作时就可以不加上拉电阻。

或者说：对于非集电极（或漏极）开路输出型电路（如普通门电路）提升电流和电压的能力是有限的，上拉电阻的功能主要是为集电极开路输出型电路输出电流通道。

4、在COMS芯片上，为了防止静电造成损坏，不用的管脚不能悬空，一般接上拉电阻产生降低输入阻抗，提供泄荷通路。

5、提高总线的抗电磁干扰能力。管脚悬空就比较容易接受外界的电磁干扰。

6、长线传输中电阻不匹配容易引起反射波干扰，加上下拉电阻是电阻匹配，有效的抑制反射波干扰。

上拉电阻阻值的选择原则包括：

1、从节约功耗及芯片的灌电流能力考虑应当足够大；电阻大，电流小。

2、从确保足够的驱动电流考虑应当足够小；电阻小，电流大。

3、对于高速电路，过大的上拉电阻可能边沿变平缓。

综合考虑以上三点，通常在1k到10k之间选取。对下拉电阻也有类似道理。

 

5 三态门

高阻态时引脚对地电阻无穷，此时读引脚电平时可以读到真实的电平值。高阻态的重要作用就是I/O(输入/输出)口在输入时读入外部电平用。

一般门与其它电路的连接，无非是两种状态，1或者0，在比较复杂的系统中，为了能在一条传输线上传送不同部件的信号，研制了相应的逻辑器件称为三态门三态门，除了有这两种状态以外还有一个高阻态，就是高阻抗（电阻很大，相当于开路）。相当于该门和它连接的电路处于断开的状态。三态门是一种扩展逻辑功能的输出级，也是一种控制开关。主要是用于总线的连接，因为总线只允许同时只有一个使用者。通常在数据总线上接有多个器件，每个器件通过OE/CE之类的信号选通。如器件没有选通的话它就处于高阻态，相当于没有接在总线上，不影响其它器件的工作。

---------------------------------------------------------------------------

准双向口只能有效的读取0，而对1则是采用读取非零的方式，就是读入的时候要先向io上写1，再读。

真正的双向口正如其名，就是真正的双向io不需要任何预操作可直接读入读出。

三态io的读入没有区别，只是输出带三态。

6. 嵌入式微控制器的I/O配置

上面介绍了嵌入式系统接口设计中相关的接口电路和概念，嵌入式微控制器的I/O是在嵌入式系统设计中最常用到的接口，很多微控制器的I/O口可以进行灵活配置，以本书中介绍的STM32F10X为例，STM32F10X的I/O可以配置成如表中所示的8中模式。因此在I/O的应用中更为灵活。

 

GPIO_Mode	描述
GPIO_Mode_AIN	模拟输入
GPIO_Mode_IN_FLOATING	浮空输入
GPIO_Mode_IPD	下拉输入
GPIO_Mode_IPU	上拉输入
GPIO_Mode_Out_OD	开漏输出
GPIO_Mode_Out_PP	推挽输出
GPIO_Mode_AF_OD	复用开漏输出
GPIO_Mode_AF_PP	复用推挽输出

STM32F10X端口位的基本结构如图所示，从图中可以看到典型的推挽输出电路与上下拉电阻，当N-MOS被激活时就变成了典型的开漏输出模式，当N-MOS和P-MOS同时被激活时就变成了典型的推挽输出模式，通过上拉电阻和下拉电阻的开关控制可以使端口处于上拉或者下拉输入模式。

根据开漏输出和推挽输出的特点，可以很容易判断在以下应用中应当工作在推挽输出模式（或者复用推挽输出）：

1、驱动应用中，驱动LED、蜂鸣器等

2、 USART_TX、USART_CK、USART_RTS、MOSI、SPI主模式SCK、CAN_TX等需要较强驱动能力的场合

而在I²C等接口总线应用中，由于需要“线与”判断总线占用状态，以及需要使用电平转换的场合需要将I/O配置成开漏输出的模式。

 

 

漏极开路输出
　　漏极开路是驱动电路的输出三极管的集电极开路，可以通过外接的上拉电阻提高驱动能力。 
　　这种输出用的是一个场效应三极管或金属氧化物管（MOS），这个管子的栅极和输出连接，源极接公共端，漏极悬空（开路）什么也没有接，因此使用时需要接一个适当阻值的电阻到电源，才能使这个管子正常工作，这个电阻就叫上拉电阻。 
　　漏极开路输出，一般情况下都需要外接上拉电阻，才能输出高电平，例如，在有些芯片的引脚就定义为漏极开路输出；还有一些带漏极开路输出的反向器等都需要外接上拉电阻才能正常工作。 
　　对于漏极开路（OD）输出，跟集电极开路输出是十分类似的。将上面的三极管换成场效应管即可。这样集电极就变成了漏极，OC就变成了OD，原理分析是一样的。