單片機(jī)I/O口推挽輸出與開(kāi)漏輸出的區(qū)別
推挽(push-pull):推挽輸出的器件是指輸出腳內(nèi)部集成有一對(duì)互補(bǔ)的MOSFET，當(dāng)Q1導(dǎo)通、Q2截止時(shí)輸出高電平;而當(dāng)Q1截止導(dǎo)通、Q2導(dǎo)通時(shí)輸出低電平。一個(gè)導(dǎo)通另一個(gè)就截止。
集電極開(kāi)路:輸出端相當(dāng)于孤立三極管的集電極. 要得到高電平狀態(tài)需要上拉電阻才行. 適合于做電流型的驅(qū)動(dòng),其吸收電流的能力相對(duì)強(qiáng)(一般20ma以內(nèi))。
1集電極開(kāi)路輸出的結(jié)構(gòu)
1> 如圖1所示，右邊的那個(gè)三極管集電極什么都不接，所以叫做集電極開(kāi)路(左邊的三極管為反相之用，使輸入為“0”時(shí)，輸出也為“0”)。對(duì)于圖1，當(dāng)左端的輸入為“0”時(shí)，前面的三極管截止(即集電極C跟發(fā)射極E之間相當(dāng)于斷開(kāi))，所以5V電源通過(guò)1K電阻加到右邊的三極管上，右邊的三極管導(dǎo)通(即相當(dāng)于一個(gè)開(kāi)關(guān)閉合);當(dāng)左端的輸入為“1”時(shí)，前面的三極管導(dǎo)通，而后面的三極管截止(相當(dāng)于開(kāi)關(guān)斷開(kāi))。
我們將圖1簡(jiǎn)化成圖2的樣子。圖2中的開(kāi)關(guān)受軟件控制，“1”時(shí)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，輸出直接接地，所以輸出電平為0。"0"時(shí)當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，則輸出端懸空了，即高阻態(tài)(順便了解下高阻態(tài))。這時(shí)電平狀態(tài)未知，如果后面一個(gè)電阻負(fù)載(即使很輕的負(fù)載)到地，那么輸出端的電平就被這個(gè)負(fù)載拉到低電平了，所以這個(gè)電路是不能輸出高電平的。
2> 圖三是集電極開(kāi)路加上拉電阻的情況。圖三中那個(gè)1k的電阻即是上拉電阻。如果開(kāi)關(guān)閉合，則有電流從1k電阻及開(kāi)關(guān)上流過(guò)，但由于開(kāi)關(guān)閉和時(shí)電阻為0(方便我們的討論，實(shí)際情況中開(kāi)關(guān)電阻不為0，另外對(duì)于三極管還存在飽和壓降)，所以在開(kāi)關(guān)上的電壓為0，即輸出電平為0。如果開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，則由于開(kāi)關(guān)電阻為無(wú)窮大(同上，不考慮實(shí)際中的漏電流)，所以流過(guò)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。
關(guān)于上拉電阻的選擇問(wèn)題。我們從圖三知道，這個(gè)輸出的內(nèi)阻是比較大的(即1kω)，如果接一個(gè)電阻為r的負(fù)載，通過(guò)分壓計(jì)算，就可以算得最后的輸出電壓為5*r/(r+1000)伏，即5/(1+1000/r)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(guò)減小那個(gè)1k的上拉電阻來(lái)增加驅(qū)動(dòng)能力。但是，上拉電阻又不能取得太小，因?yàn)楫?dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，將產(chǎn)生電流，由于開(kāi)關(guān)能流過(guò)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(shí)，負(fù)載可能還會(huì)給提供一部分電流從開(kāi)關(guān)流過(guò)，因此要綜合這些電流考慮來(lái)選擇合適的上拉電阻。
如果我們將一個(gè)讀數(shù)據(jù)用的輸入端接在輸出端，這樣就是一個(gè)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(gè)口帶內(nèi)部上拉)，當(dāng)我們要使用輸入功能時(shí)，只要將輸出口設(shè)置為1即可，這樣就相當(dāng)于那個(gè)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，而對(duì)于p0口來(lái)說(shuō)，就是高阻態(tài)了。
3> 對(duì)于漏極開(kāi)路(OD)輸出，跟集電極開(kāi)路輸出是十分類(lèi)似的。將上面的三極管換成場(chǎng)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。
2 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(gè)開(kāi)關(guān)，當(dāng)要輸出高電平時(shí)，上面的開(kāi)關(guān)通，下面的開(kāi)關(guān)斷;而要輸出低電平時(shí)，則剛好相反。比起OC或者OD來(lái)說(shuō)，這樣的推挽結(jié)構(gòu)高、低電平驅(qū)動(dòng)能力都很強(qiáng)。如果兩個(gè)輸出不同電平的輸出口接在一起的話，就會(huì)產(chǎn)生很大的電流，有可能將輸出口燒壞。而上面說(shuō)的OC或OD輸出則不會(huì)有這樣的情況，因?yàn)樯侠娮杼峁┑碾娏鞅容^小。如果是推挽輸出的要設(shè)置為高阻態(tài)時(shí)，則兩個(gè)開(kāi)關(guān)必須同時(shí)斷開(kāi)(或者在輸出口上使用一個(gè)傳輸門(mén))，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)。
一般情況下我們?cè)陔娐吩O(shè)計(jì)編程過(guò)程中設(shè)置單片機(jī)，大多是按照固有的模式去做的，做了幾年這一行了，也沒(méi)碰到過(guò)什么問(wèn)題。昨天就遇到了這樣一個(gè)問(wèn)題，電路結(jié)構(gòu)如圖一，在這種情況下STC單片機(jī)與410單片機(jī)通訊是沒(méi)問(wèn)題的但是與PC就無(wú)法通訊了，STC收不到PC的命令，以前410的位置是用的STC的片子一直沒(méi)問(wèn)題，我想也許是驅(qū)動(dòng)能力不夠，在410TX端加了上拉，不過(guò)沒(méi)起作用。用示波器監(jiān)視串口得到面的波形如圖二：
這說(shuō)明sp3232下拉得不夠，于是加了下拉，還是沒(méi)起作用。又把410端口內(nèi)部的上拉去掉，結(jié)果還是一樣。最后請(qǐng)教老師，在410程序里將TX的工作方式由推挽式改為開(kāi)漏式，一切ok~!
附另外一篇文章：http://www.9mcu.com/9mcubbs/forum.php?mod=viewthread&tid=1353講的也挺好
GPIO的推挽輸出和開(kāi)漏輸出(open-drain與push-pull)
GPIO的功能，簡(jiǎn)單說(shuō)就是可以根據(jù)自己的需要去配置為輸入或輸出。但是在配置GPIO管腳的時(shí)候，常會(huì)見(jiàn)到兩種模式：開(kāi)漏(open-drain，漏極開(kāi)路)和推挽(push-pull)。
對(duì)此兩種模式，有何區(qū)別和聯(lián)系，下面整理了一些資料，來(lái)詳細(xì)解釋一下：
圖表 1 Push-Pull對(duì)比Open-Drain
對(duì)于GPIO的模式的設(shè)置，在不考慮是否需要額外的上拉電阻的情況下，是設(shè)置為open-drain還是push-pull，說(shuō)到底，還是個(gè)權(quán)衡的問(wèn)題：
如果你想要電平轉(zhuǎn)換速度快的話，那么就選push-pull，但是缺點(diǎn)是功耗相對(duì)會(huì)大些。
如果你想要功耗低，且同時(shí)具有“線與”的功能，那么就用open-drain的模式。(同時(shí)注意GPIO硬件模塊內(nèi)部是否有上拉電阻，如果沒(méi)有，需要硬件電路上添加額外的上拉電阻)
正所謂，轉(zhuǎn)換速度與功耗，是魚(yú)與熊掌，二則不可兼得焉。
擴(kuò)展閱讀：PIC單片機(jī)的抗干擾能力強(qiáng)還是AVR單片機(jī)的強(qiáng)?
編輯：admin 最后修改時(shí)間：2018-05-22
