集電極開路（OC）

 

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(dāng)左端的輸入為“0”時，前面的三極管截止，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(dǎo)通；當(dāng)左端的輸入為“1”時，前面的三極管導(dǎo)通，而后面的三極管截止。

 

 

我們將圖1簡化成圖2的樣子，很明顯可以看出，當(dāng)開關(guān)閉合時，輸出直接接地，所以輸出電平為0。而當(dāng)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(fù)載到地，那么輸出端的電平就被這個負(fù)載拉到低電平了，所以這個電路是不能輸出高電平的。

 

圖3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)閉和時電阻為0（方便我們的討論，實際情況中開關(guān)電阻不為0，另外對于三極管還存在飽和壓降），所以在開關(guān)上的電壓為0，即輸出電平為0。如果開關(guān)斷開，則由于開關(guān)電阻為無窮大（同上，不考慮實際中的漏電流），所以流過的電流為0，因此在1k電阻上的壓降也為0，所以輸出端的電壓就是5v了，這樣就能輸出高電平了。

 

但是這個輸出的內(nèi)阻是比較大的 —— 即1k，如果接一個電阻為r的負(fù)載，通過分壓計算，就可以算得最后的輸出電壓為5*r/(r+1000)伏，所以，如果要達(dá)到一定的電壓的話，r就不能太小。如果r真的太小，而導(dǎo)致輸出電壓不夠的話，那我們只有通過減小那個1k的上拉電阻來增加驅(qū)動能力。

 

但是，上拉電阻又不能取得太小，因為當(dāng)開關(guān)閉合時，將產(chǎn)生電流，由于開關(guān)能流過的電流是有限的，因此限制了上拉電阻的取值。另外還需要考慮到，當(dāng)輸出低電平時，負(fù)載可能還會給提供一部分電流從開關(guān)流過，因此要綜合這些電流考慮來選擇合適的上拉電阻。

 

如果我們將一個讀數(shù)據(jù)用的輸入端接在輸出端，這樣就是一個IO口了，51的IO口就是這樣的結(jié)構(gòu)，其中P0口內(nèi)部不帶上拉，而其它三個口帶內(nèi)部上拉。當(dāng)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(dāng)于那個開關(guān)斷開，而對于P0口來說，就是高阻態(tài)了。

 

漏極開路（OD）

 

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。OC門主要用于3個方面：實現(xiàn)與或非邏輯，用做電平轉(zhuǎn)換，用做驅(qū)動器。

 

開漏形式的電路有以下幾個特點：

 

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(fù)載。

可以將多個開漏輸出的Pin，連接到一條線上。通過一只上拉電阻，在不增加任何器件的情況下，形成“與邏輯”關(guān)系。這也是I2C，SMBus等總線判斷總線占用狀態(tài)的原理。

由于漏級開路，所以后級電路必須接一上拉電阻，上拉電阻的電源電壓就可以決定輸出電平。這樣就可以進(jìn)行任意電平的轉(zhuǎn)換了。

 

源極開路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(fù)載充電，所以當(dāng)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。

 

推挽輸出

 

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(dāng)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(qiáng)。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(jī)的一些IO口就是這種結(jié)構(gòu)。

 

驅(qū)動電路的兩種形式：

 

單片機(jī)內(nèi)部的邏輯經(jīng)過內(nèi)部的邏輯運算后需要輸出到外面，外面的器件可能需要較大的電流才能推動，因此在單片機(jī)的輸出端口必須有一個驅(qū)動電路。

 

采用一只N型三極管

 

其中的一種是采用一只N型三極管 —— NPN或N溝道，以NPN三極管為例，就是e接地，b接內(nèi)部的邏輯運算，c引出。b受內(nèi)部驅(qū)動可以控制三極管是否導(dǎo)通，但如果三極管的c極一直懸空，盡管b極上發(fā)生高低變化，c極上也不會有高低變化，因此在這種條件下必須在外部提供一個電阻，電阻的一端接c(引出腳)另一端接電源，這樣當(dāng)三極管的b有高電壓是三極管導(dǎo)通，c電壓為低，當(dāng)b為低電壓時三極管不通，c極在電阻的拉動下為高電壓。

 

這種驅(qū)動電路有個特點：低電壓是三極管驅(qū)動的，高電壓是電阻驅(qū)動的——上下不對稱，三極管導(dǎo)通時的ec內(nèi)阻很小，因此可以提供很大的電流，可以直接驅(qū)動led甚至繼電器，但電阻的驅(qū)動是有限的，最大高電平輸出電流=(VCC-Vh)/r。

 

采用兩只晶體管

 

另一種是互補(bǔ)推挽輸出，采用兩只晶體管，一只在上一只在下，上面的一只是n型，下面為p型(以三極管為例)，兩只管子的連接為：NPN(上)的c連VCC，PNP(下)的c接地，兩只管子的ee,bb相連，其中ee作為輸出(引出腳)，bb接內(nèi)部邏輯。這個電路通常用于功率放大點路的末級(音響)，當(dāng)bb接高電壓時NPN管導(dǎo)通輸出高電壓，由于三極管的ec電阻很小，因此輸出的高電壓有很強(qiáng)的驅(qū)動能力，當(dāng)bb接低電壓時NPN截至，PNP導(dǎo)通，由于三極管的ec電阻很小因此輸出的低電壓有很強(qiáng)的驅(qū)動能力。

 

簡單的例子，9013導(dǎo)通時ec電阻不到10歐，以Vh=2.5v，VCC=5v計算，高電平輸出電流最大=250MA，短路電流500ma，這個計算同時告訴我們采用推挽輸出時一定要小心千萬不要出現(xiàn)外部電路短路的可能，否則肯定燒毀芯片，特別是外部驅(qū)動三極管時別忘了在三極管的基極加限流電阻。推挽輸出電路的形式很多，有些單片機(jī)上下都采用n型管，但內(nèi)部邏輯提供互補(bǔ)輸出，以上的說明僅僅為了說明推挽的原理，為了更深的理解可以參考功率放大電路。

 

上拉電阻和弱上拉

 

上拉電阻很大，提供的驅(qū)動電流很小叫弱上拉，反之叫強(qiáng)上拉。

 

為什么要使用拉電阻：

 

上拉就是將不確定的信號通過一個電阻嵌位在高電平，電阻同時起限流作用，下拉同理。上拉是對器件注入電流，下拉是輸出電流，弱強(qiáng)只是上拉電阻的阻值不同，沒有什么嚴(yán)格區(qū)分。

 

對于非OC、OD輸出型電路提升電流和電壓的能力是有限的，上拉電阻的功能主要是為集電極開路輸出型電路輸出電流通道。

 

上拉電阻的主要應(yīng)用：

 

當(dāng)TTL電路驅(qū)動COMS電路時，如果TTL電路輸出的高電平低于COMS電路的最低高電平(一般為3.5V)，這時就需要在TTL的輸出端接上拉電阻，以提高輸出高電平的值。

 

OC門電路要輸出“1”時需要加上拉電阻，不加根本就沒有高電平。

 

為加大輸出引腳的驅(qū)動能力，有的單片機(jī)管腳上也常使用上拉電阻，但在用OC門作驅(qū)動(例如：控制一個 LED)灌電流工作時就可以不加上拉電阻。

 

在COMS芯片上，為了防止靜電造成損壞，不用的管腳不能懸空，一般接上拉電阻產(chǎn)生降低輸入阻抗，提供泄荷通路。

 

提高總線的抗電磁干擾能力。管腳懸空就比較容易接受外界的電磁干擾。

 

長線傳輸中電阻不匹配容易引起反射波干擾，加上下拉電阻是電阻匹配，有效的抑制反射波干擾。

 

上拉電阻阻值的選擇原則包括：

 

從節(jié)約功耗及芯片的灌電流能力考慮應(yīng)當(dāng)足夠大；電阻大，電流小。

 

從確保足夠的驅(qū)動電流考慮應(yīng)當(dāng)足夠小；電阻小，電流大。

 

對于高速電路，過大的上拉電阻可能邊沿變平緩。

 

綜合考慮以上三點，通常在1k到10k之間選取。對下拉電阻也有類似道理。

 

三態(tài)門

 

高阻態(tài)時引腳對地電阻無窮，此時讀引腳電平時可以讀到真實的電平值。高阻態(tài)的重要作用就是I/O(輸入/輸出)口在輸入時讀入外部電平用。一般門與其它電路的連接，無非是兩種狀態(tài)，1或者0，在比較復(fù)雜的系統(tǒng)中，為了能在一條傳輸線上傳送不同部件的信號，研制了相應(yīng)的邏輯器件稱為三態(tài)門。

 

三態(tài)門，除了有這兩種狀態(tài)以外還有一個高阻態(tài)，就是高阻抗(電阻很大，相當(dāng)于開路)。相當(dāng)于該門與和它連接的電路處于斷開的狀態(tài)。三態(tài)門是一種擴(kuò)展邏輯功能的輸出級，也是一種控制開關(guān)。

 

主要是用于總線的連接，因為總線只允許同時只有一個使用者。通常在數(shù)據(jù)總線上接有多個器件，每個器件通過OE/CE之類的信號選通。如器件沒有選通的話它就處于高阻態(tài)，相當(dāng)于沒有接在總線上，不影響其它器件的工作。

 

準(zhǔn)雙向口

 

準(zhǔn)雙向口只能有效的讀取0，而對1則是采用讀取非零的方式，就是讀入的時候要先向IO上寫1，再讀。真正的雙向口正如其名，就是真正的雙向IO不需要任何預(yù)操作可直接讀入讀出。