集電極開路（OC）

 

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麼都不接，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”。對於圖 1，當左端的輸入為“0”時
，前麵的三極管截止，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；當左端的輸入為“1”時，前麵的三極管導通
，而後麵的三極管截止。

 

 

我們將圖1簡化成圖2的樣子
，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(er)當(dang)開(kai)關(guan)斷(duan)開(kai)時(shi)，則(ze)輸(shu)出(chu)端(duan)懸(xuan)空(kong)了(le)
，即(ji)高(gao)阻(zu)態(tai)。這(zhe)時(shi)電(dian)平(ping)狀(zhuang)態(tai)未(wei)知(zhi)，如(ru)果(guo)後(hou)麵(mian)一(yi)個(ge)電(dian)阻(zu)負(fu)載(zai)到(dao)地(di)
，那(na)麼(me)輸(shu)出(chu)端(duan)的(de)電(dian)平(ping)就(jiu)被(bei)這(zhe)個(ge)負(fu)載(zai)拉(la)到(dao)低(di)電(dian)平(ping)了(le)
，所(suo)以(yi)這(zhe)個(ge)電(dian)路(lu)是(shi)不(bu)能(neng)輸(shu)出(chu)高(gao)電(dian)平(ping)的(de)。

 

圖3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
，但由於開關閉和時電阻為0（方便我們的討論，實際情況中開關電阻不為0
，另外對於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
，則由於開關電阻為無窮大（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1k，如果接一個電阻為r的負載

，通過分壓計算，就可以算得最後的輸出電壓為5*r/(r+1000)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，那我們隻有通過減小那個1k的上拉電阻來增加驅動能力。

 

但dan是shi

，上shang拉la電dian阻zu又you不bu能neng取qu得de太tai小xiao，因yin為wei當dang開kai關guan閉bi合he時shi，將jiang產chan生sheng電dian流liu，由you於yu開kai關guan能neng流liu過guo的de電dian流liu是shi有you限xian的de，因yin此ci限xian製zhi了le上shang拉la電dian阻zu的de取qu值zhi。另ling外wai還hai需xu要yao考kao慮lv到dao，當dang輸shu出chu低di電dian平ping時shi，負fu載zai可ke能neng還hai會hui給gei提ti供gong一yi部bu分fen電dian流liu從cong開kai關guan流liu過guo，因yin此ci要yao綜zong合he這zhe些xie電dian流liu考kao慮lv來lai選xuan擇ze合he適shi的de上shang拉la電dian阻zu。

 

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，隻要將輸出口設置為1即可
，這樣就相當於那個開關斷開，而對於P0口來說，就是高阻態了。

 

漏極開路（OD）

 

對於漏極開路（OD）輸出，跟集電極開路輸出是十分類似的。將上麵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。OC門主要用於3個方麵：實現與或非邏輯，用做電平轉換

，用做驅動器。

 

開漏形式的電路有以下幾個特點：

 

利用外部電路的驅動能力，減少IC內部的驅動，或驅動比芯片電源電壓高的負載。

可以將多個開漏輸出的Pin，連接到一條線上。通過一隻上拉電阻
，在不增加任何器件的情況下，形成“與邏輯”關係。這也是I2C

，SMBus等總線判斷總線占用狀態的原理。

由於漏級開路
，所以後級電路必須接一上拉電阻，上拉電阻的電源電壓就可以決定輸出電平。這樣就可以進行任意電平的轉換了。

 

yuanjikailutigonglelinghuodeshuchufangshi，danshiyeyouqiruodian，jiushidailaishangshengyandeyanshi。yinweishangshengyanshitongguowaijieshanglawuyuandianzuduifuzaichongdian，suoyidangdianzuxuanzexiaoshiyanshijiuxiao，dangonghaoda
；反之延時大功耗小。所以如果對延時有要求，則建議用下降沿輸出。

 

推挽輸出

 

lingyizhongshuchujiegoushituiwanshuchu。tuiwanshuchudejiegoujiushibashangmiandeshangladianzuyehuanchengyigekaiguan，dangyaoshuchugaodianpingshi
，shangmiandekaiguantong，xiamiandekaiguanduan
；而要輸出低電平時
，則剛好相反。

 

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。而上麵說的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。

 

驅動電路的兩種形式：

 

單dan片pian機ji內nei部bu的de邏luo輯ji經jing過guo內nei部bu的de邏luo輯ji運yun算suan後hou需xu要yao輸shu出chu到dao外wai麵mian，外wai麵mian的de器qi件jian可ke能neng需xu要yao較jiao大da的de電dian流liu才cai能neng推tui動dong
，因yin此ci在zai單dan片pian機ji的de輸shu出chu端duan口kou必bi須xu有you一yi個ge驅qu動dong電dian路lu。

 

采用一隻N型三極管

 

其中的一種是采用一隻N型三極管 —— NPN或N溝道
，以NPN三極管為例
，就是e接地，b接內部的邏輯運算，c引出。b受內部驅動可以控製三極管是否導通，但如果三極管的c極一直懸空，盡管b極上發生高低變化，c極上也不會有高低變化
，因此在這種條件下必須在外部提供一個電阻


，電阻的一端接c(引出腳)另一端接電源，這樣當三極管的b有高電壓是三極管導通


，c電壓為低，當b為低電壓時三極管不通，c極在電阻的拉動下為高電壓。

 

這種驅動電路有個特點：低電壓是三極管驅動的

，高電壓是電阻驅動的——上下不對稱，三極管導通時的ec內阻很小，因此可以提供很大的電流，可以直接驅動led甚至繼電器，但電阻的驅動是有限的，最大高電平輸出電流=(VCC-Vh)/r。

 

采用兩隻晶體管

 

另一種是互補推挽輸出，采用兩隻晶體管，一隻在上一隻在下
，上麵的一隻是n型
，下麵為p型(以三極管為例)，兩隻管子的連接為：NPN(上)的c連VCC，PNP(下)的c接地
，兩隻管子的ee,bb相連，其中ee作為輸出(引出腳)，bb接內部邏輯。這個電路通常用於功率放大點路的末級(音響)
，當bb接高電壓時NPN管導通輸出高電壓，由於三極管的ec電阻很小，因此輸出的高電壓有很強的驅動能力，當bb接低電壓時NPN截至
，PNP導通
，由於三極管的ec電阻很小因此輸出的低電壓有很強的驅動能力。

 

簡單的例子，9013導通時ec電阻不到10歐，以Vh=2.5v，VCC=5v計算，高電平輸出電流最大=250MA，短路電流500ma，zhegejisuantongshigaosuwomencaiyongtuiwanshuchushiyidingyaoxiaoxinqianwanbuyaochuxianwaibudianluduanludekeneng
，fouzekendingshaohuixinpian，tebieshiwaibuqudongsanjiguanshibiewanglezaisanjiguandejijijiaxianliudianzu。tuiwanshuchudianludexingshihenduo
，youxiedanpianjishangxiadoucaiyongn型管
，但內部邏輯提供互補輸出，以上的說明僅僅為了說明推挽的原理，為了更深的理解可以參考功率放大電路。

 

上拉電阻和弱上拉

 

上拉電阻很大
，提供的驅動電流很小叫弱上拉
，反之叫強上拉。

 

為什麼要使用拉電阻：

 

上(shang)拉(la)就(jiu)是(shi)將(jiang)不(bu)確(que)定(ding)的(de)信(xin)號(hao)通(tong)過(guo)一(yi)個(ge)電(dian)阻(zu)嵌(qian)位(wei)在(zai)高(gao)電(dian)平(ping)，電(dian)阻(zu)同(tong)時(shi)起(qi)限(xian)流(liu)作(zuo)用(yong)
，下(xia)拉(la)同(tong)理(li)。上(shang)拉(la)是(shi)對(dui)器(qi)件(jian)注(zhu)入(ru)電(dian)流(liu)，下(xia)拉(la)是(shi)輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu)，弱(ruo)強(qiang)隻(zhi)是(shi)上(shang)拉(la)電(dian)阻(zu)的(de)阻(zu)值(zhi)不(bu)同(tong)
，沒(mei)有(you)什(shen)麼(me)嚴(yan)格(ge)區(qu)分(fen)。

 

對於非OC、OD輸出型電路提升電流和電壓的能力是有限的，上拉電阻的功能主要是為集電極開路輸出型電路輸出電流通道。

 

上拉電阻的主要應用：

 

當TTL電路驅動COMS電路時，如果TTL電路輸出的高電平低於COMS電路的最低高電平(一般為3.5V)，這時就需要在TTL的輸出端接上拉電阻
，以提高輸出高電平的值。

 

OC門電路要輸出“1”時需要加上拉電阻
，不加根本就沒有高電平。

 

為加大輸出引腳的驅動能力，有的單片機管腳上也常使用上拉電阻
，但在用OC門作驅動(例如：控製一個 LED)灌電流工作時就可以不加上拉電阻。

 

在COMS芯片上
，為了防止靜電造成損壞，不用的管腳不能懸空，一般接上拉電阻產生降低輸入阻抗，提供泄荷通路。

 

提高總線的抗電磁幹擾能力。管腳懸空就比較容易接受外界的電磁幹擾。

 

長線傳輸中電阻不匹配容易引起反射波幹擾，加上下拉電阻是電阻匹配，有效的抑製反射波幹擾。

 

上拉電阻阻值的選擇原則包括：

 

從節約功耗及芯片的灌電流能力考慮應當足夠大
；電阻大，電流小。

 

從確保足夠的驅動電流考慮應當足夠小；電阻小，電流大。

 

對於高速電路
，過大的上拉電阻可能邊沿變平緩。

 

綜合考慮以上三點，通常在1k到10k之間選取。對下拉電阻也有類似道理。

 

三態門

 

高阻態時引腳對地電阻無窮，此時讀引腳電平時可以讀到真實的電平值。高阻態的重要作用就是I/O(輸入/輸出)口在輸入時讀入外部電平用。一般門與其它電路的連接

，無非是兩種狀態，1或者0，在比較複雜的係統中，為了能在一條傳輸線上傳送不同部件的信號，研製了相應的邏輯器件稱為三態門。

 

三態門
，除了有這兩種狀態以外還有一個高阻態，就是高阻抗(電阻很大
，相當於開路)。相當於該門與和它連接的電路處於斷開的狀態。三態門是一種擴展邏輯功能的輸出級，也是一種控製開關。

 

主要是用於總線的連接
，因為總線隻允許同時隻有一個使用者。通常在數據總線上接有多個器件，每個器件通過OE/CE之類的信號選通。如器件沒有選通的話它就處於高阻態
，相當於沒有接在總線上，不影響其它器件的工作。

 

準雙向口

 

準雙向口隻能有效的讀取0
，而對1則是采用讀取非零的方式，就是讀入的時候要先向IO上寫1，再讀。真正的雙向口正如其名
，就是真正的雙向IO不需要任何預操作可直接讀入讀出。