集電極（漏極）開路和推挽輸出

ID:105323 · 發表于 2016-2-13 02:23

集電極開路輸出的結構如圖1所示，右邊的那個三極管集電極什么都不接，所以叫做集電極開路（左邊的三極管為反相之用，使輸入為“0”時，輸出也為“0”）。對于圖1，當左端的輸入為“0”時，前面的三極管截止（即集電極C跟發射極E之間相當于斷開），所以5V電源通過1K電阻加到右邊的三極管上，右邊的三極管導通（即相當于一個開關閉合）；當左端的輸入為“1”時，前面的三極管導通，而后面的三極管截止（相當于開關斷開）。
我們將圖1簡化成圖2的樣子。圖2中的開關受軟件控制，“1”時斷開，“0”時閉合。很明顯可以看出，當開關閉合時，輸出直接接地，所以輸出電平為0。而當開關斷開時，則輸出端懸空了，即高阻態。這時電平狀態未知，如果后面一個電阻負載（即使很輕的負載）到地，那么輸出端的電平就被這個負載拉到低電平了，所以這個電路是不能輸出高電平的。
再看圖三。圖三中那個1K的電阻即是上拉電阻。如果開關閉合，則有電流從1K電阻及開關上流過，但由于開關閉和時電阻為0（方便我們的討論，實際情況中開關電阻不為0，另外對于三極管還存在飽和壓降），所以在開關上的電壓為0，即輸出電平為0。如果開關斷開，則由于開關電阻為無窮大（同上，不考慮實際中的漏電流），所以流過的電流為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。但是這個輸出的內阻是比較大的（即1KΩ），如果接一個電阻為R的負載，通過分壓計算，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，如果要達到一定的電壓的話，R就不能太小。如果R真的太小，而導致輸出電壓不夠的話，那我們只有通過減小那個1K的上拉電阻來增加驅動能力。但是，上拉電阻又不能取得太小，因為當開關閉合時，將產生電流，由于開關能流過的電流是有限的，因此限制了上拉電阻的取值，另外還需要考慮到，當輸出低電平時，負載可能還會給提供一部分電流從開關流過，因此要綜合這些電流考慮來選擇合適的上拉電阻。
如果我們將一個讀數據用的輸入端接在輸出端，這樣就是一個IO口了（51的IO口就是這樣的結構，其中P0口內部不帶上拉，而其它三個口帶內部上拉），當我們要使用輸入功能時，只要將輸出口設置為1即可，這樣就相當于那個開關斷開，而對于P0口來說，就是高阻態了。
對于漏極開路（OD）輸出，跟集電極開路輸出是十分類似的。將上面的三極管換成場效應管即可。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。

圖4

另一種輸出結構是推挽輸出（如圖4所示）。當寫“1”時，上面的三極管導通，下面的三極管截止，輸出高電平；寫“0”時，上面的三極管截止，下面的三極管導通，輸出低電平，比起OC或者OD來說，這樣的推挽結構高、低電平驅動能力都很強。如果兩個輸出不同電平的輸出口接在一起的話，就會產生很大的電流，有可能將輸出口燒壞。而上面說的OC或OD輸出則不會有這樣的情況，因為上拉電阻提供的電流比較小。如果是推挽輸出的要設置為高阻態時，則兩個開關必須同時斷開（或者在輸出口上使用一個傳輸門），這樣可作為輸入狀態，AVR單片機的一些IO口就是這種結構。

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集電極（漏極）開路和推挽輸出