单片机I/O口推挽输出与开漏输出的区别

时间：2013-06-17 17:35:48

关键字：单片机开漏输出 I/O 上拉电阻

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[导读]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

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)。

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。
某老外的更加透彻的解释	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 #FormatImgID_3# 图表 4 open-drain“线与”功能 #FormatImgID_4#
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。