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1、集电极开路、漏极开路、推挽、上拉电阻、弱上拉、三态门、准双向口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，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；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。我们将图 1 简化成图 2 的样子，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到地，那么输出端 的电平就
2、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。图 3 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
3、+1000)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
4、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。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。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。3.由于漏级开路，所以后级
5、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。这样就可以进行任意电平的转换了。4.源极开路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。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
6、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。*单片机内部的逻辑经过内部的逻辑运算后需要输出到外面，外面的器件可能需要较大的电流才能推动，因此在单片机的输出端口必须有一个驱动电路。这种驱动电路有两种形式：其中的一种是采用一只 N 型三极管NPN 或 N 沟道，以 NPN 三极管为例，就是 e 接地，b 接内部的逻辑运算，c 引出。b 受内部驱动可以控制三极管是否导通，但如果三极管的 c 极一直悬空
7、，尽管 b 极上发生高低变化，c 极上也不会有高低变化，因此在这种条件下必须在外部提供一个电阻，电阻的一端接c(引出脚）另一端接电源，这样当三极管的 b 有高电压是三极管导通，c 电压为低，当 b 为低电压时三极管不通，c 极在电阻的拉动下为高电压。这种驱动电路有个特点：低电压是三极管驱动的，高电压是电阻驱动的上下不对称，三极管导通时的 ec 内阻很小，因此可以提供很大的电流，可以直接驱动led 甚至继电器，但电阻的驱动是有限的，最大高电平输出电流=(VCC-Vh)/r；另一种是互补推挽输出，采用 2 只晶体管，一只在上一只在下，上面的一只是 n 型，下面为 p 型（以三极管为例），两只管子的
8、连接为：NPN（上）的 c连 VCC，PNP（下）的 c 接地，两只管子的 ee,bb 相连，其中 ee 作为输出（引出脚），bb 接内部逻辑。这个电路通常用于功率放大点路的末级（音响），当 bb 接高电压时 NPN 管导通输出高电压，由于三极管的 ec 电阻很小，因此输出的高电压有很强的驱动能力，当 bb 接低电压时 NPN 截至，PNP 导通，由于三极管的 ec 电阻很小因此输出的低电压有很强的驱动能力。简单的例子，9013 导通时 ec 电阻不到 10 欧，以 Vh=2.5v，VCC=5v 计算，高电平输出电流最大=250MA，短路电流 500ma，这个计算同时告诉我们采用推挽输出时一定
9、要小心千万不要出现外部电路短路的可能，否则肯定烧毁芯片，特别是外部驱动三极管时别忘了在三极管的基极加限流电阻。推挽输出电路的形式很多，有些单片机上下都采用 n 型管，但内部逻辑提供互补输出，以上的说明仅仅为了说 明推挽的原理，为了更深的理解可以参考功率放大电路。*上拉电阻很大，提供的驱动电流很小，叫弱上拉；反之叫强上拉。为什么要使用拉电阻：上拉就是将不确定的信号通过一个电阻嵌位在高电平，电阻同时起限流作用，下拉同理。上拉是对器件注入电流，下拉是输出电流，弱强只是上拉电阻的阻值不同，没有什么严格区分。对于非 OC、OD 输出型电路提升电流和电压的能力是有限的，上拉电阻的功能主要是为集电极开路输出
10、型电路输出电流通道。上拉电阻的主要应用：1、当 TTL 电路驱动 COMS 电路时，如果 TTL 电路输出的高电平低于 COMS 电路的最低高电平（一般为 3.5V），这时就需要在 TTL 的输出端接上拉电阻，以提高输出高电平的值。2、OC 门电路要输出“1”时需要加上拉电阻，不加根本就没有高电平。3、为加大输出引脚的驱动能力，有的单片机管脚上也常使用上拉电阻，但在用 OC 门作驱动（例如：控制一个 LED）灌电流工作时就可以不加上拉电阻。4、在 COMS 芯片上，为了防止静电造成损坏，不用的管脚不能悬空，一般接上拉电阻产生降低输入阻抗，提供泄荷通路。5、提高总线的抗电磁干扰能力。管脚悬空就比
11、较容易接受外界的电磁干扰。6、长线传输中电阻不匹配容易引起反射波干扰，加上下拉电阻是电阻匹配，有效的抑制反射波干扰。上拉电阻阻值的选择原则包括：1、从节约功耗及芯片的灌电流能力考虑应当足够大；电阻大，电流小。2、从确保足够的驱动电流考虑应当足够小；电阻小，电流大。3、对于高速电路，过大的上拉电阻可能边沿变平缓。综合考虑以上三点，通常在 1k 到 10k 之间选取。对下拉电阻也有类似道理。*高阻态时引脚对地电阻无穷，此时读引脚电平时可以读到真实的电平值。高阻态的重要作用就是 I/O(输入/输出)口在输入时读入外部电平用。一般门与其它电路的连接，无非是两种状态，1 或者 0，在比较复杂的系统中，为
12、了能在一条传输线上传送不同部件的信号，研制了相应的逻辑器件称为三态门。三态门，除了有这两种状态以外还有一个高阻态，就是高阻抗（电阻很大，相当于开路）。相当于该门与和它连接的电路处于断开的状态。三态门是一种扩展逻辑功能的输出级，也是一种控制开关。主要是用于总线的连接，因为总线只允许同时只有一个使用者。通常在数据总线上接有多个器件，每个器件通过 OE/CE 之类的信号选通。如器件没有选通的话它就处于高阻态，相当于没有接在总线上，不影响其它器件的工作。*准双向口只能有效的读取 0，而对 1 则是采用读取非零的方式，就是读入的时候要先向 IO 上写 1，再读。真正的双向口正如其名，就是真正的双向 IO 不需要任何预操作可直接读入读出。本主题由 原野之狼 于 2011-4-8 11:19 设置高亮
