集电极开路与漏极开路 推挽

集电极开路与漏极开路集电极开路与漏极开路 推挽推挽 漏极开路是驱动电路的输出三极管的集电极开路 可以通过外接的上拉电阻提高驱动能力 这种输出用的是一个场效应三极管或金属氧化物管 MOS 这个管子的栅极和输出连接 源极接公共端 漏极悬空 开路 什么也没有接 因此使用时需要接一个适当阻值的电阻到电源 才能使这个管子正常工作 这个电阻就叫上拉电阻 漏极开路输出 一般情况下都需要外接上拉电阻 以使电路输出呈现三态之高阻态 例如 在有些芯片的引脚就定义为漏极开路输出 还有 一些带漏极开路输出的反向器等都需要外接上拉电阻才能正常工作 A 我们先来说说集电极开路输出的结构 集电极开路输出的结构如图 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 时断开 0 时闭合 很明显可以看出 当开关闭合时 输出直接接地 所 以输出电平为 0 而当开关断开时 则输出端悬空了 即高阻态 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 再看图三 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 但是这个输出的内阻是比较大的 即 1K 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 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 另一种输出结构是推挽输出 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 OC 门 又称集电极开路 漏极开路 与非门门电路 Open Collector Open Drain 为什么引入 OC 门 实际使用中 有时需要 两个或两个以上与非门的输出端连接在同一条导线上 将这些与非门上的数据 状态电平 用同一条导线输送出去 因此 需要一种新的与 非门电路 OC 门来实现 线与逻辑 OC 门主要用于 3 个方面 实现与或非逻辑 用做电平转换 用做驱动器 由于 OC 门电路的输出管 的集电极悬空 使用时需外接一个上拉电阻 Rp 到电源 VCC OC 门使用上拉电阻以输出高电平 此外为了加大输出引脚的驱动能力 上拉 电阻阻值的选择原则 从降低功耗及芯片的灌电流能力考虑应当足够大 从确保足够的驱动电流考虑应当足够小 另一种输出结构是推挽输出 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 在电路设计时我们常常遇到开漏 open drain 和开集 open collector 的概念 所谓开漏电路概念中提到的 漏 就是指 MOS FET 的漏极 同理 开集电路中的 集 就是指三极管的集电极 开漏电路就是指以 MOS FET 的漏极为输出的电路 一般的用法是会在漏极外部的电路添加上拉电阻 完整的开漏电路应该由开漏器件和开漏上拉电阻组成 组成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 可以将多个开漏输出的 Pin 连接到一条线上 形成 与逻辑 关系 当 PIN A PIN B PIN C 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 可以利用改变上拉电源的电压 改变传输电平 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 4 开漏 Pin 不连接外部的上拉电阻 则只能输出低电平 5 标准的开漏脚一般只有输出的能力 添加其它的判断电路 才能具备双向输入 输出的能力 应用中需注意 1 开漏和开集的原理类似 在许多应用中我们利用开集电路代替开漏电路 例如 某输入 Pin 要求由开漏电路驱动 则我们常见的驱动方 式是利用一个三极管组成开集电路来驱动它 即方便又节省成本 2 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 组成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 可以将多个开漏输出的 Pin 连接到一条线上 形成 与逻辑 关系 当 PIN A PIN B PIN C 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 可以利用改变上拉电源的电压 改变传输电平 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 4 开漏 Pin 不连接外部的上拉电阻 则只能输出低电平 5 标准的开漏脚一般只有输出的能力 添加其它的判断电路 才能具备双向输入 输出的能力 当外部无上拉电阻时 该口不能输出高电平 应该可以输出低电平 如果接上拉电阻 则可以实现高低电平输出 漏极开路输出 用法同等 OC 射极输出 如果作为图腾输出必须接上拉电阻 接容性负载时下降延是芯片内的晶体管是有源驱动速度较快 上升延是无源的外接电阻速度慢 如果要求速度高电阻选择要小 功耗会大 所以负载电阻的选择要兼顾功耗和速度 芯片的 Open drain 输出是设计用于 线或 wire OR 逻辑的 也可以用于如继电器之类只吸入电流的负载 或驱动比你的芯片电源电 压高的负载 但要注意阅读手册上给出的耐压和最大驱动电流 当然耐压一般比电源电压高 实例比如 5V 的逻辑电平转到 12V 的逻辑电平 就可以用 OD 电路 很多 IC 的 data sheet 上面对于一些 IO 口的定义有 open drain 一说 哪位老兄帮忙解释一下下这个东东是什么意思 漏极开路 如果 作为 IO 需要上拉电阻 如果需要边沿时序 上拉电阻的值需要注意 另外电源选取和目的 IO 相同可以将其理解为一个一端接地的开关 有很好的灌电流特性 适合驱动大电流器件 例如键盘背光 震动马达等 不适合用作 GPIO 即使加了上拉电阻 对比三极管电路 相 当于输出口接在集电极 如基极为高 可对外输出低电平信号 但无法输出高电平 需要上拉电阻 目的是为了方便使用者上拉到自己想要 的电压以保证满足两边的电平要求典型如 I2C 总线 最大的作用就是可以用作 线与 和电平转化 OC 可以实现 线与 wire and 而不会 对电路有损害 就是漏级开路输出 可以达到三态输出的目的 推挽输出与开漏输出的区别 Push Pull 输出就是一般所说的推挽输出 在 CMOS 电路里面应该较 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 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 push pull 是现在 CMOS 电路里面用得最多的输出级设计方式 一 什么是 OC OD 集电极开路门 集电极开路 OC 或源极开路 OD open drain 是漏极开路输出的意思 相当于集电极开路 open collector 输出 即 ttl 中的集电极开路 oc 输出 一般用于线或 线与 也有的用于电流驱动 open drain 是对 mos 管而言 open collector 是对双极型管而言 在用法上没啥区别 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 或驱动比芯片电源电压高的负载 2 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 如果作为图腾输出必须接上拉电阻 接容性负载时 下降延是芯片内的晶体管 是有源驱动 速度较快 上升延是无源的外接电阻 速度慢 如果要求速度高电阻选择要小 功耗会大 所以负载电阻的选择要兼顾功耗和速度 3 可以利用改变上拉电源的电压 改变传输电平 例如加上上拉电阻就可以提供 TTL CMOS 电平输出等 4 开漏 Pin 不连接外部的上拉电阻 则只能输出低电平 一般来说 开漏是用来连接不同电平的器件 匹配电平用的 5 正常的 CMOS 输出级是上 下两个管子 把上面的管子去掉就是 OPEN DRAIN 了 这种输出的主要目的有两个 电平转换和线与 6 由于漏级开路 所以后级电路必须接一上拉电阻 上拉电阻的电源电压就可以决定输出电平 这样你就可以进行任意电平的转换了 7 线与功能主要用于有多个电路对同一信号进行拉低操作的场合 如果本电路不想拉低 就输出高电平 因为 OPEN DRAIN 上面的管子被 拿掉 高电平是靠外接的上拉电阻实现的 而正常的 CMOS 输出级 如果出现一个输出为高另外一个为低时 等于电源短路 8 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 二 什么是线或逻辑与线与逻辑 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 注 个人理解 线与 接上拉电阻至电源 A 这些晶体管常常是一些逻辑电路的集电极开路 OC 或源极开路 OD 输出端 这种逻辑通常称为线与 线或逻辑 当你看到一些芯片的 OC 或 OD 输出端连在一起 而有一个上拉电阻时 这就是线或 线与了 但有时上拉电阻做在芯片的输入端内 顺便提示如果不是 OC 或 OD 芯片的输出端是不可以连在一起的 总线 BUS 上的双向输出端连在一起是有管理的 同时只能有一个作输 出 而其他是高阻态只能输入 三 什么是推挽结构 一般是指两个三极管分别受两互补信号的控制 总是在一个三极管导通的时候另一个截止 要实现线与需要用 OC open collector 门电路 如果输出级的有两个三极管 始终处于一个导通 一个截止的状态 也就是两个三级管推挽相连 这样的电路结构称为推拉式电路或图腾柱 Totem pole 输出电路 可惜 图无法贴上 当输出低电平时 也就是下级负载门输入低电平时 输出端的电流将是下级门灌入 T4 当输出高电平时 也就是下级负载门输入高电平时 输出端的电流将是下级门从本级电源经 T3 D1 拉出 这样一来 输出高低电平时 T3 一路和 T4 一路将交替工作 从而减低了功耗 提高了每个管的承受能力 又由于不论走哪一路 管子导通电阻都很小 使 RC 常数很 小 转变速度很快 因此 推拉式输出级既提高电路的负载能力 又提高开关速度 供你参考 推挽电路是两个参数相同的三极管或 MOSFET 以推挽方式存在于电路中 各负责正负半周的波形放大任务 电路工作时 两只对称的功率开 关管每次只有一个导通 所以导通损耗小 效率高 输出既可以向负载灌电流 也可以从负载抽取电流 其他资料 推挽电路是两不同极性晶体管输出电路无输出变压器 有 OTL OCL 等 是两个参数相同的功率 BJT 管或 MOSFET 管 以推挽方式存 在于电路中 各负责正负半周的波形放大任务 电路工作时 两只对称的功率开关管每次只有一个导通 所以导通损耗小 效率高 推挽输出既 可以向负载灌电流 也可以从负载抽取电流 如果输出级的有两个三极管 始终处于一个导通 一个截止的状态 也就是两个三