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关于各种IO输出的类型

时间:04-05 来源:互联网 点击:

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。

  

下载附件 (46.02 KB) 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+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。

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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,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

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