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单片机I/O口推挽输出与开漏输出的区别

来源:21ic 关键字:单片机   开漏输出      

推挽(push-pull):推挽输出的器件是指输出脚内部集成有一对互补的MOSFET,当Q1导通、Q2截止时输出高电平;而当Q1截止导通、Q2导通时输出低电平。一个导通另一个就截止。

集电极开路:输出端相当于孤立三极管的集电极. 要得到高电平状态需要上拉电阻才行. 适合于做电流型的驱动,其吸收电流的能力相对强(一般20ma以内)。

1集电极开路输出的结构

1> 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)。

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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”时开关闭合时,输出直接接地,所以输出电平为0。"0"时当开关断开时,则输出端悬空了,即高阻态(顺便了解下高阻态)。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。

2> 图三是集电极开路加上拉电阻的情况。图三中那个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。

关于上拉电阻的选择问题。我们从图三知道,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。

3> 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。

2 推挽输出

推挽输出的结构就是把上面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。

一般情况下我们在电路设计编程过程中设置单片机,大多是按照固有的模式去做的,做了几年这一行了,也没碰到过什么问题。昨天就遇到了这样一个问题,电路结构如图一,在这种情况下STC单片机与410单片机通讯是没问题的但是与PC就无法通讯了,STC收不到PC的命令,以前410的位置是用的STC的片子一直没问题,我想也许是驱动能力不够,在410TX端加了上拉,不过没起作用。用示波器监视串口得到面的波形如图二:

这说明sp3232下拉得不够,于是加了下拉,还是没起作用。又把410端口内部的上拉去掉,结果还是一样。最后请教老师,在410程序里将TX的工作方式由推挽式改为开漏式,一切ok~!

附另外一篇文章:http://www.9mcu.com/9mcubbs/forum.php?mod=viewthread&tid=1353讲的也挺好

GPIO的推挽输出和开漏输出(open-drain与push-pull)

GPIO的功能,简单说就是可以根据自己的需要去配置为输入或输出。但是在配置GPIO管脚的时候,常会见到两种模式:开漏(open-drain,漏极开路)和推挽(push-pull)。

对此两种模式,有何区别和联系,下面整理了一些资料,来详细解释一下:

图表 1 Push-Pull对比Open-Drain

  Push-Pull推挽输出 Open-Drain开漏输出
原理 输出的器件是指输出脚内部集成有一对互补的MOSFET,当Q1导通、Q2截止时输出高电平;而当Q1截止导通、Q2导通时输出低电平 开漏电路就是指以MOSFET的漏极为输出的电路。指内部输出和地之间有个N沟道的MOSFET(Q1),这些器件可以用于电平转换的应用。输出电压由Vcc'决定。Vcc'可以大于输入高电平电压VCC(up-translate)也可以低于输入高电平电压VCC(down-translate)。
某老外的更加透彻的解释 Push-pull输出,实际上内部是用了两个晶体管(transistor),此处分别称为top transistor和bottom transistor。通过开关对应的晶体管,输出对应的电平。top transistor打开(bottom transistor关闭),输出为高电平;bottom transistor打开(top transistor关闭),输出低电平。Push-pull即能够漏电流(sink current),又可以集电流(source current)。其也许有,也许没有另外一个状态:高阻抗(high impedance)状态。除非Push-pull需要支持额外的高阻抗状态,否则不需要额外的上拉电阻。 Open-drain输出,则是比push-pull少了个top transistor,只有那个bottom transistor。(就像push-pull中的那样)当bottom transistor关闭,则输出为高电平。此处没法输出高电平,想要输出高电平,必须外部再接一个上拉电阻(pull-up resistor)。Open-drain只能够漏电流(sink current),如果想要集电流(source current),则需要加一个上拉电阻。
常见的GPIO的模式可以配置为open-drain或push-pull,具体实现上,常为通过配置对应的寄存器的某些位来配置为open-drain或是push-pull。当我们通过CPU去设置那些GPIO的配置寄存器的某位(bit)的时候,其GPIO硬件IC内部的实现是,会去打开或关闭对应的top transistor。相应地,如果设置为了open-d模式的话,是需要上拉电阻才能实现,也能够输出高电平的。因此,如果硬件内部(internal)本身包含了对应的上拉电阻的话,此时会去关闭或打开对应的上拉电阻。如果GPIO硬件IC内部没有对应的上拉电阻的话,那么你的硬件电路中,必须自己提供对应的外部(external)的上拉电阻。而push-pull输出的优势是速度快,因为线路(line)是以两种方式驱动的。而带了上拉电阻的线路,即使以最快的速度去提升电压,最快也要一个常量的R×C的时间。其中R是电阻,C是寄生电容(parasitic capacitance),包括了pin脚的电容和板子的电容。但是,push-pull相对的缺点是往往需要消耗更多的电流,即功耗相对大。而open-drain所消耗的电流相对较小,由电阻R所限制,而R不能太小,因为当输出为低电平的时候,需要sink更低的transistor,这意味着更高的功耗。(此段原文:because the lower transistor has to sink that current when the output is low; that means higher power consumption.)而open-drain的好处之一是,允许你cshort(?)多个open-drain的电路,公用一个上拉电阻,此种做法称为wired-OR连接,此时可以通过拉低任何一个IO的pin脚使得输出为低电平。为了输出高电平,则所有的都输出高电平。此种逻辑,就是“线与”的功能,可以不需要额外的门(gate)电路来实现此部分逻辑。
原理图 图表 2 push-pull原理图#FormatImgID_2# 图表 3 open-drain原理图
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图表 4 open-drain“线与”功能
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优点 (1)可以吸电流,也可以贯电流;(2)和开漏输出相比,push-pull的高低电平由IC的电源低定,不能简单的做逻辑操作等。 (1)
对于各种电压节点间的电平转换非常有用,可以用于各种电压节点的Up-translate和down-translate转换
(2)可以将多个开漏输出的Pin脚,连接到一条线上,形成
与逻辑关系,即线与功能,任意一个变低后,开漏线上的逻辑就为0了。这也是I2C,SMBus等总线判断总线占用状态的原理。(3)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R pull-up ,MOSFET到GND。IC内部仅需很下的栅极驱动电流。(4)可以利用改变上拉电源的电压,改变传输电平:图表 5 open-drain输出电平的原理
#FormatImgID_5# IC的逻辑电平由电源Vcc1决定,而输出高电平则由Vcc2决定。这样我们就可以用低电平逻辑控制输出高电平逻辑了。
缺点 一条总线上只能有一个push-pull输出的器件;
开漏Pin不连接外部的上拉电阻,则只能输出低电平。当输出电平为低时,N沟道三极管是导通的,这样在Vcc'和GND之间有一个持续的电流流过上拉电阻R和三极管Q1。这会影响整个系统的功耗。采用较大值的上拉电阻可以减小电流。但是,但是大的阻值会使输出信号的上升时间变慢。即上拉电阻R pull-up的阻值 决定了逻辑电平转换的沿的速度
。阻值越大,速度越低功耗越小。反之亦然。
特点 在CMOS电路里面应该叫CMOS输出更合适,因为在CMOS里面的push-pull输出能力不可能做得双极那么大。输出能力看IC内部输出极N管P管的面积。push-pull是现在CMOS电路里面用得最多的输出级设计方式。  
【open-drain和push-pull的总结】

对于GPIO的模式的设置,在不考虑是否需要额外的上拉电阻的情况下,是设置为open-drain还是push-pull,说到底,还是个权衡的问题:

如果你想要电平转换速度快的话,那么就选push-pull,但是缺点是功耗相对会大些。

如果你想要功耗低,且同时具有“线与”的功能,那么就用open-drain的模式。(同时注意GPIO硬件模块内部是否有上拉电阻,如果没有,需要硬件电路上添加额外的上拉电阻)

正所谓,转换速度与功耗,是鱼与熊掌,二则不可兼得焉。

扩展阅读:PIC单片机的抗干扰能力强还是AVR单片机的强?