单片机的IO，推挽输出、高阻状态

单片机的IO，推挽输出、高阻状态

集电极开路，Open Collector 简称 OC 门

上图所示，集电极开路由两个NPN型三极管组成。Q1 的集电极作为 output pin，因此称为集电极开路。

a. 输入低电平“0”，Q2截止，VCC 无法通过电阻接地，Q1 导通，output 输出“0”。

b. 输入高电平“1”，Q2 导通，VCC 通过电阻接地，Q1 截止，但是 output 无法输出高电平“1”。

如果要想输出高电平可以在输出端加上上拉电阻。因此集电极开路输出可以用做电平转换，通过上拉电阻

上拉至不同的电压，来实现不同的电平转换。

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。

这种三极管是电流控制型元器件，注意关键词电流控制。意思就是说，只要基极B有输入（或输出）电流就可以对这个晶体管进行控制了。

 

漏极开路，Open Drain 简称 OD 门

 

上图所示，漏极开路由一个N-MOSFET组成，MOS 的漏极作为 output pin，因此称为漏极开路。

典型的用法是在漏极外部的电路添加上拉电阻到电源如图所示。完整的开漏电路应由开漏器件和开漏上拉电阻组成。

这里的上拉电阻R的阻值决定了逻辑电平转换的上升/下降沿的速度。阻值越大，速度越低，功耗越小。

因此在选择上拉电阻时要兼顾功耗和速度。标准的开漏脚一般只有输出的能力。

 

场效应管是电压控制型元器件，只要对栅极施加电压，DS就会导通。

结型场效应管有一个特性就是它的输入阻抗非常大，这意味着：没有电流从控制电路流出，也没有电流进入控制电路。没有电流流入或流出，就不会烧坏控制电路。而双极型晶体管不同，是电流控制性元器件，如果使用开集电路，可能会烧坏控制电路。这大概就是我们总是听到开漏电路而很少听到开集电路的原因吧？因为开集电路被淘汰了。

 

推挽输出，Push-Pull

 

当Vin电压为V+时，上面的N型三极管控制端有电流输入，Q3导通，于是电流从上往下通过，提供电流给负载。

经过上面的N型三极管提供电流给负载（Rload），这就叫「推」。

 

当Vin电压为V-时，低于Q4的导通电压，下面的三极管有电流流出，Q4导通，有点流从上往下流过。

经过下面的P型三极管提供电流给负载（Rload），这就叫「挽」，也称为拉。

 

以上，这就是推挽（push-pull）电路。

推挽输出不仅可以采用三极管，也可以使用MOSFET（场效应管），如下图。

 

 

单片机IO口

 

一对管子组成的推挽结构，从电路上来讲可以通过调配管子的参数轻松实现输出大电流，提高带载能力。

两个管子根据通断状态不同有4种组合。上下管都导通相当于把电源和GND短路了，这种情况是不允许出现的。

从数字逻辑的角度上来讲，上管开-下管关相当于IO口与Vcc直接相连，IO口输出高电平“1”。上管关-下管开时

IO口与GND直接相连，IO口输出低电平“0”。这种结构下如果没有外接上拉电阻，输出“0”的状态就是俗称

的“开漏”（Open-Drain：漏极开路）状态。有的资料上也把这种状态称为“低阻态”，因为IO引脚是通过一个

管子接地的，并不是直接使用导线连接，而一般的MOS在导通状态也会有mΩ级别的导通电阻。

 

分析到这里就很明白了，“低阻态”是IO口相对于GND而言的，那“高阻态”也是相对于GND而言的啦。怎么把

GND和IO口隔离起来达到类似开路的状态？把下管置于截止状态就可以了。这时候推挽的一对管子都是截止状态，

忽略读取逻辑的话IO口引脚相当于与MCU内部电路开路。考虑到实际电路的MOS截止时并不是完美的开路，有少许

的漏电流，所以称为“高阻态”。

 

不是所有的单片机都支持三态输出。三态输出一般由寄存器控制，需进行配置。

 

高阻态既然无确定电平，怎么能做输出呢？把一个端口置为高阻态，相当于该端口从电路中断开（仅对输出来说），

比如在一个通信线上挂了几个端口，将一个端口置为高阻态，就意味着该端口不会影响到该通信线的电平变化，

但还是可以读取端口的电平。一般高阻态都是作为模拟量输入的，因为高阻态不会影响到输入的电平，可以

准确的读取模拟量。