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  • 推挽输出和开漏输出

    2020-02-25 14:49:38
    推挽输出(push-pull): 推挽输出(push-pull): 推挽输出,正如字面上的意思,有“推”,也有“挽”,推挽输出电路运用两个MOS管构成,上面为P-MOS,下面为N-MOS,VCC为正电源,VSS为负电源,输入端连有一个相反...

    推挽输出(push-pull):

    推挽输出(push-pull):
    推挽输出,正如字面上的意思,有“推”,也有“挽”,推挽输出电路运用两个MOS管构成,上面为P-MOS,下面为N-MOS,VCC为正电源,VSS为负电源,输入端连有一个相反器(非门),用来驱动MOS管:
    在这里插入图片描述
    当输入信号为正半周时,高电平输入取反后为低电平,加在P-MOS上导通,而加在N-MOS上截止,因此VCC提供电流驱动负载:

    在这里插入图片描述
    这样子输出的电平为高电平,也就是“推”。

    当输入信号为负半周时,低电平输入取反后为高电平,加在N-MOS上导通,而加在P-MOS上截止,因此VSS提供电流驱动负载:

    在这里插入图片描述
    这样子输出的电平为低电平,也就是“挽”。
    推挽输出因为是控制MOS管的导通从而运用VCC与VSS来驱动负载,因此驱动负载能力强,每一次只导通一个MOS管,开关损耗也比较小,所以推挽输出能驱动LED。

    开漏输出(open-drain):

    另一个输出方式为开漏输出,首先先了解什么叫开集,开集就是三极管的集电极开路,而同理开漏就是MOS管上的漏极开路,开漏输出原理类似数电上OC门里的集电极开路,就是漏极作为输出端口直接接到输出上:

    当输入为高电平,则MOS管导通,输出电平被拉低;
    当输入电平为高,则MOS管截止,此时输出电平属于高阻态,即不是高电平也不是低电平。
    电路等效成:

    在这里插入图片描述

    从等效电路看,开漏输出只能输出低电平,而不能输出高电平,若要输出高电平的话,需要在输出点接上拉电阻,上拉电阻能提高驱动能力,就可以进行任意电平的转换了。

    总结:
    推挽输出的驱动能力比较强,只要对应IO口的寄存器为输出高电平,相应的IO口就能输出高电平,低电平也是如此,而开漏输出只能输出低电平而不能输出高电平,要输出高电平需要对IO口加上拉电阻,适合做电流型的驱动,因此,一般情况下会用推挽输出来控制一些常见设备,如LED灯,继电器,MOS管等等,而开漏输出使用得比较少。

    附上MOS管的分辨:

    在这里插入图片描述

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  • 文章主要介绍了对推挽输出和开漏输出的理解
  • 这个结构使GPIO具有了“推挽输出开漏输出”两种模式。所谓的推挽输出模式,是根据这两个MOS管的工作方式来命名的。在该结构中输入高电平时,经过反向后,上方的P-MOS导通,下方的N-MOS关闭,对外输出高电...

    GPIO功能框图

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    推挽输出:

    GPIO引脚线路经过两个保护二极管后,向上流向“输入模式”结构,向下流向“输出模式”结构。先看输出模式部分,线路经过一个由P-MOS和N-MOS管组成的单元电路。这个结构使GPIO具有了“推挽输出”和“开漏输出”两种模式。

    所谓的推挽输出模式,是根据这两个MOS管的工作方式来命名的。在该结构中输入高电平时,经过反向后,上方的P-MOS导通,下方的N-MOS关闭,对外输出高电平;而在该结构中输入低电平时,经过反向后,N-MOS管导通,P-MOS关闭,对外输出低电平。当引脚高低电平切换时,两个管子轮流导通,P管负责灌电流,N管负责拉电流,使其负载能力和开关速度都比普通的方式有很大的提高。推挽输出的低电平为0伏,高电平为3.3伏,具体参考图 8‑2,它是推挽输出模式时的等效电路。

    1c7e72d52e18b3f3cebe02f2ceae7988.png

    开漏输出

    而在开漏输出模式时,上方的P-MOS管完全不工作。如果我们控制输出为0,低电平,则P-MOS管关闭,N-MOS管导通,使输出接地,若控制输出为1 (它无法直接输出高电平)时,则P-MOS管和N-MOS管都关闭,所以引脚既不输出高电平,也不输出低电平,为高阻态。为正常使用时必须外部接上拉电阻,参考图 8‑3中等效电路。它具有“线与”特性,也就是说,若有很多个开漏模式引脚连接到一起时,只有当所有引脚都输出高阻态,才由上拉电阻提供高电平,此高电平的电压为外部上拉电阻所接的电源的电压。若其中一个引脚为低电平,那线路就相当于短路接地,使得整条线路都为低电平,0伏。

    推挽输出模式一般应用在输出电平为0和3.3伏而且需要高速切换开关状态的场合。在STM32的应用中,除了必须用开漏模式的场合,我们都习惯使用推挽输出模式。

    开漏输出一般应用在I2C、SMBUS通讯等需要“线与”功能的总线电路中。除此之外,还用在电平不匹配的场合,如需要输出5伏的高电平,就可以在外部接一个上拉电阻,上拉电源为5伏,并且把GPIO设置为开漏模式,当输出高阻态时,由上拉电阻和电源向外输出5伏的电平,具体见图 8‑4。

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    STM32 IO 口 如何 与 5V 的传感器连接

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  • 推挽输出:可以输出高,低电平,连接数字器件。输出 0 时,N-MOS 导通,P-MOS 高阻,输出0。输出 1 时,N-MOS 高阻,P-MOS 导通,输出1(不需要外部上拉电路)。开漏输出:输出端相当于三极管的集电极. 要得到高电平状态...

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    推挽输出:可以输出高,低电平,连接数字器件。 
    输出 0 时,N-MOS 导通,P-MOS 高阻,输出0。 
    输出 1 时,N-MOS 高阻,P-MOS 导通,输出1(不需要外部上拉电路)。

    开漏输出:输出端相当于三极管的集电极. 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). 
    输出 0 时,N-MOS 导通,P-MOS 不被激活,输出0。 
    输出 1 时,N-MOS 高阻, P-MOS 不被激活,输出1(需要外部上拉电路);可以读IO输入电平变化,此模式可以把端口作为双向IO使用。211efacd3de6fb4ce84fb8fc34dab264.png

    网上找了些资料,推挽电路: 6f0f3452a3493b49ab349e20ccbfc57d.png 
    上面的三极管是N型三极管,下面的三极管是P型三极管,请留意控制端、输入端和输出端。 
    当Vin电压为V+时,上面的N型三极管控制端有电流输入,Q3导通,于是电流从上往下通过,提供电流给负载。

    0e51ace1426e0b60183fed0b01630b37.png 
    经过上面的N型三极管提供电流给负载(Rload),这就叫「推」。 

    当Vin电压为V-时,下面的三极管有电流流出,Q4导通,有电流从上往下流过。

    58f6c316b0128f6ceac004ea220e5cfa.png、 
    经过下面的P型三极管提供电流给负载(Rload),这就叫「挽」。 
    以上,这就是推挽(push-pull)电路。

    那么什么是开漏呢?要理解开漏,可以先理解开集。 

    80864b2ae7454bc0946029c4da843239.png 
    如图,开集的意思,就是集电极C一端什么都不接,直接作为输出端口。 
    如果要用这种电路带一个负载,比如一个LED,必须接一个上拉电阻,就像这样。

    7ce068d6f49278330ddaf9cd9db7910c.png

    当Vin没有电流,Q5断开时,LED亮。 
    当Vin流入电流,Q5导通时,LED灭。

    开漏电路,就是把上图中的三极管换成场效应管(MOSFET)。 
    N型场效应管各个端口的名称: b75b2eaf0bb433dfe926408e72f32a37.png

    当Vin没有电流,Q5断开时,LED亮。 
    当Vin流入电流,Q5导通时,LED灭。

    场效应管是电压控制型元器件,只要对栅极施加电压,DS就会导通。

    结型场效应管有一个特性就是它的输入阻抗非常大,这意味着:没有电流从控制电路流出,也没有电流进入控制电路。没有电流流入或流出,就不会烧坏控制电路。

    而双极型晶体管不同,是电流控制性元器件,如果使用开集电路,可能会烧坏控制电路。

    这大概就是我们总是听到开漏电路而很少听到开集电路的原因吧?因为开集电路被淘汰了。

    有人说,开漏单刀单置,推挽单刀双置,这样理解也有一定的道理。

    https://www.zhihu.com/question/28512432
    --------------------- 
    作者:World123xxf
    来源:CSDN
    原文:https://blog.csdn.net/lostand/article/details/70052918?utm_source=copy
    版权声明:本文为博主原创文章,转载请附上博文链接!

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  • 看到输出驱动器虚线框中的内容,输出驱动器中的P-MOS和N-MOS两个MOS管就是实现推挽输出和开漏输出的关键。推挽输出模式下,P-MOS和N-MOS都正常工作,开漏输出模式下,只有下面的N-MOS工作,上面的P-MOS不工作。 注意...

    以STM32参考手册中的GPIO输出配置图为例:
    在这里插入图片描述
    看到输出驱动器虚线框中的内容,输出驱动器中的P-MOS和N-MOS两个MOS管就是实现推挽输出和开漏输出的关键。推挽输出模式下,P-MOS和N-MOS都正常工作,开漏输出模式下,只有下面的N-MOS工作,上面的P-MOS不工作。
    注意:GPIO在输出模式下没有上拉下拉配置。

    推挽输出(Push-Pull Output)

    推挽输出的结构是由两个三极管或者MOS管受到互补信号的控制,两个管子始终保持一个处于截止,另一个处于导通的状态。电路工作时,两只对称的开关管每次只有一个导通,所以导通损耗小、效率高、既提高电路的负载能力,又提高开关速度。如图1所示:
    在这里插入图片描述
    图1 推挽输出结构

    推挽输出的最大特点是可以真正能真正的输出高电平和低电平,在两种电平下都具有驱动能力。
    补充说明:所谓的驱动能力,就是指输出电流的能力。对于驱动大负载(即负载内阻越小,负载越大)时,例如IO输出为5V,驱动的负载内阻为10ohm,于是根据欧姆定律可以正常情况下负载上的电流为0.5A(推算出功率为2.5W)。显然一般的IO不可能有这么大的驱动能力,也就是没有办法输出这么大的电流。于是造成的结果就是输出电压会被拉下来,达不到标称的5V。当然如果只是数字信号的传递,下一级的输入阻抗理论上最好是高阻,也就是只需要传电压,基本没有电流,也就没有功率,于是就不需要很大的驱动能力。

    对于推挽输出,输出高、低电平时电流的流向如图 2所示。所以相比于后面介绍的开漏输出,输出高电平时的驱动能力强很多。
    在这里插入图片描述
    图2 灌电流与拉电流
    但推挽输出的一个缺点是,如果当两个或多个推挽输出结构的GPIO相连在一起,一个输出高电平,即上面的MOS导通,下面的MOS闭合时;同时另一个输出低电平,即上面的MOS闭合,下面的MOS导通时。电流会从第一个引脚的VCC通过上端MOS再经过第二个引脚的下端MOS直接流向GND。整个通路上电阻很小,相当于发生短路,进而可能造成端口的损害。这也是为什么推挽输出不能实现" 线与"的原因。

    开漏输出(Open Drain Output)

    常说的与推挽输出相对的就是开漏输出,对于开漏输出和推挽输出的区别最普遍的说法就是开漏输出无法真正输出高电平,即高电平时没有驱动能力,需要借助外部上拉电阻完成对外驱动。下面就从内部结构和原理上说明为什么开漏输出输出高电平时没有驱动能力,以及进一步比较与推挽输出的区别。

    首先需要介绍一些开漏输出和开集输出。这两种输出的原理和特性基本是类似的,区别在于一个是使用MOS管,其中的"漏"指的就是MOS管的漏极;另一个使用三极管,其中的"集"指的就是MOS三极管的集电极。这两者其实都是和推挽输出相对应的输出模式,由于使用MOS管的情况较多,很多时候就用"开漏输出"这个词代替了开漏输出和开集输出。

    介绍就先从开集输出开始,其原理电路结如图 3所示。

    在这里插入图片描述
    图3 OC开集

    图 3左边的电路是开集(OC)输出最基本的电路,当输入为高电平时,NPN三极管导通,Output被拉到GND,输出为低电平;当输入为低电平时,NPN三极管闭合,Output相当于开路(输出高阻)。高电平时输出高阻(高阻、三态以及floating说的都是一个意思),此时对外没有任何的驱动能力。这就是开漏和开集输出最大的特点,如何利用该特点完成各种功能稍后介绍。这个电路虽然完成了开集输出的功能,但是会出现input为高,输出为低;input为低,输出为高的情况。

    图 3右边的电路中多使用了一个三极管完成了"反相"。当输入为高电平时,第一个三极管导通,此时第二个三极管的输入端会被拉到GND,于是第二个三极管闭合,输出高阻;当输入为低电平时,第一个三极管闭合,此时第二个三极管的输入端会被上拉电阻拉到高电平,于是第二个三极管导通,输出被拉到GND。这样,这个电路的输入与输出是同相的了。

    接下来介绍开漏输出的电路,如图 4所示。原理与开集输出基本相同,只是将三极管换成了MOS而已。**图4的开漏输出电路相当于图3中的右图。**MOS管不会导致电平反相。
    在这里插入图片描述
    图4 OD开漏
    接着说说开漏、开集输出的特点以及应用,由于两者相似,后文中若无特殊说明,则用开漏表示开漏和开集输出电路。

    开漏输出最主要的特性就是高电平没有驱动能力,需要借助外部上拉电阻才能真正输出高电平,其电路如图 5所示。
    在这里插入图片描述
    图5 OD门上拉
    当MOS管闭合时,开漏输出电路输出高电平,且连接着负载时,电流流向是从外部电源,流经上拉电阻RPU,流进负载,最后进入GND。

    开漏输出的这一特性一个明显的优势就是可以很方便的调节输出的电平,因为输出电平完全由上拉电阻连接的电源电平决定。所以在需要进行电平转换的地方,非常适合使用开漏输出。
    开漏输出的这一特性另一个好处在于可以实现"线与"功能,所谓的"线与"指的是多个信号线直接连接在一起,只有当所有信号全部为高电平时,合在一起的总线为高电平;只要有任意一个或者多个信号为低电平,则总线为低电平。而推挽输出就不行,如果高电平和低电平连在一起,会出现短路电流倒灌,损坏器件。

    总结

    在这里插入图片描述

    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。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。

    2、一般来说,开漏是用来连接不同电平的器件,匹配电平用的,因为开漏引脚不连接外部的上拉电阻时,只能输出低电平,如果需要同时具备输出高电平的功能,则需要接上拉电阻,很好的一个优点是通过改变上拉电源的电压,便可以改变传输电平。比如加上上拉电阻就可以提供TTL/CMOS电平输出等。(上拉电阻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,所以负载电阻的选择要兼顾功耗和速度。)
    比如STM32用3.3V供电,将GPIO设置为开漏输出模式,同时引脚外部接上拉电阻到5V,则高电平时可以拉到5V,不需要接特殊的电平转换电路或芯片,即用一个电阻实现了3.3V转5V,当然上升沿速度受电阻大小影响。(理论成立,没有进行验证)

    3、OPEN-DRAIN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、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。
    补充:什么是“线与”?:
    在一个结点(线)上, 连接一个上拉电阻到电源 VCC 或 VDD 和 n 个 NPN 或 NMOS 晶体管的集电极 C 或漏极 D, 这些晶体管的发射极 E 或源极 S 都接到地线上, 只要有一个晶体管饱和, 这个结点(线)就被拉到地线电平上。 因为这些晶体管的基极注入电流(NPN)或栅极加上高电平(NMOS),晶体管就会饱和, 所以这些基极或栅极对这个结点(线)的关系是或非 NOR 逻辑。 如果这个结点后面加一个反相器, 就是或 OR 逻辑。

    其实可以简单的理解为:在所有引脚连在一起时,外接一上拉电阻,如果有一个引脚输出为逻辑0,相当于接地,与之并联的回路“相当于被一根导线短路”,所以外电路逻辑电平便为0,只有都为高电平时,与的结果才为逻辑1。

    关于准双向IO,实际上结构类似于开漏输出,只不过是把上拉电阻集成到了单片机内部。(跟开漏输出有点关系,顺带放这)
    如51单片机的P1 ~ P3端口
    在这里插入图片描述

    参考:
    https://blog.csdn.net/techexchangeischeap/article/details/72569999
    http://www.360doc.com/content/15/0113/16/20337528_440450286.shtml
    https://zhuanlan.zhihu.com/p/41942876
    https://blog.csdn.net/xiaoweiboy/article/details/6714199

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