【新手收藏】關(guān)于各種IO輸出的類(lèi)型

　　集電極開(kāi)路、漏極開(kāi)路、推挽、上拉電阻、弱上拉、三態(tài)門(mén)、準(zhǔn)雙向口

　　集電極開(kāi)路輸出的結(jié)構(gòu)如圖1所示，右邊的那個(gè)三極管集電極什么都不接，所以叫做集電極開(kāi)路;左邊的三極管為反相之用，使輸入為“0”時(shí)，輸出也為“0”。

　　對(duì)于圖 1，當(dāng)左端的輸入為“0”時(shí)，前面的三極管截止，所以5v電源通過(guò)1k電阻加到右邊的三極管上，右邊的三極管導(dǎo)通;當(dāng)左端的輸入為“1”時(shí)，前面的三極管導(dǎo)通，而后面的三極管截止。

　　下載附件 (46.02 KB) 我們將圖1簡(jiǎn)化成圖2的樣子，很明顯可以看出，當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，輸出直接接地，所以輸出電平為0。而當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，則輸出端懸空了，即高阻態(tài)。這時(shí)電平狀態(tài)未知，如果后面一個(gè)電阻負(fù)載到地，那么輸出端 的電平就被這個(gè)負(fù)載拉到低電平了，所以這個(gè)電路是不能輸出高電平的。

　　圖3中那個(gè)1k的電阻即是上拉電阻。如果開(kāi)關(guān)閉合，則有電流從1k電阻及開(kāi)關(guān)上流過(guò)，但由于開(kāi)關(guān)閉和時(shí)電阻為0(方便我們的討論，實(shí)際情況中開(kāi)關(guān)電阻不為0，另外對(duì)于三極管還存在飽和壓降)，所以在開(kāi)關(guān)上的電壓為0，即輸出電平為0。如果開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，則由于開(kāi)關(guān)電阻為無(wú)窮大(同上，不考慮實(shí)際中的 漏電流)，所以流過(guò)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(gè)輸出的內(nèi)阻是比較大的——即1k，如果接一個(gè)電阻為r的負(fù)載，通過(guò)分壓計(jì)算，就可以算得最后的輸出電壓為5*r/(r+1000)伏，所以，如果要達(dá)到一定的電壓的話，r就不能太小。如果r 真的太小，而導(dǎo)致輸出電壓不夠的話，那我們只有通過(guò)減小那個(gè)1k的上拉電阻來(lái)增加驅(qū)動(dòng)能力。但是，上拉電阻又不能取得太小，因?yàn)楫?dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，將產(chǎn)生電流，由于開(kāi)關(guān)能流過(guò)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(dāng)輸出低電平時(shí)，負(fù)載可能還會(huì)給提供一部分電流從開(kāi)關(guān)流過(guò)，因此要綜合這些電流考慮來(lái)選擇合適的上拉電阻。

　　如果我們將一個(gè)讀數(shù)據(jù)用的輸入端接在輸出端，這樣就是一個(gè)IO口了，51的IO口就是這樣的結(jié)構(gòu)，其中P0口內(nèi)部不帶上拉，而其它三個(gè)口帶內(nèi)部上拉。當(dāng)我們要使用輸入功能時(shí)，只要將輸出口設(shè)置為1即可，這樣就相當(dāng)于那個(gè)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，而對(duì)于P0口來(lái)說(shuō)，就是高阻態(tài)了。

　　對(duì)于漏極開(kāi)路(OD)輸出，跟集電極開(kāi)路輸出是十分類(lèi)似的。將上面的三極管換成場(chǎng)效應(yīng)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(mén)主要用于3個(gè)方面：實(shí)現(xiàn)與或非邏輯，用做電平轉(zhuǎn)換，用做驅(qū)動(dòng)器。

　　開(kāi)漏形式的電路有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

　　1.利用外部電路的驅(qū)動(dòng)能力，減少I(mǎi)C內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)，或驅(qū)動(dòng)比芯片電源電壓高的負(fù)載。

　　2.可以將多個(gè)開(kāi)漏輸出的Pin，連接到一條線上。通過(guò)一只上拉電阻，在不增加任何器件的情況下，形成“與邏輯”關(guān)系。這也是I2C，SMBus等總線判斷總線占用狀態(tài)的原理。

　　3.由于漏級(jí)開(kāi)路，所以后級(jí)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(jìn)行任意電平的轉(zhuǎn)換了。

　　4.源極開(kāi)路提供了靈活的輸出方式，但是也有其弱點(diǎn)，就是帶來(lái)上升沿的延時(shí)。因?yàn)樯仙厥峭ㄟ^(guò)外接上拉無(wú)源電阻對(duì)負(fù)載充電，所以當(dāng)電阻選擇小時(shí)延時(shí)就小，但功耗大;反之延時(shí)大功耗小。所以如果對(duì)延時(shí)有要求，則建議用下降沿輸出。

　　另一種輸出結(jié)構(gòu)是推挽輸出。推挽輸出的結(jié)構(gòu)就是把上面的上拉電阻也換成一個(gè)開(kāi)關(guān)，當(dāng)要輸出高電平時(shí)，上面的開(kāi)關(guān)通，下面的開(kāi)關(guān)斷;而要輸出低電平時(shí)，則剛好相反。比起OC或者OD來(lái)說(shuō)，這樣的推挽結(jié)構(gòu)高、低電平驅(qū)動(dòng)能力都很強(qiáng)。如果兩個(gè)輸出不同電平的輸出口接在一起的話，就會(huì)產(chǎn)生很大的電流，有可能將輸出口燒壞。而上面說(shuō)的OC或OD輸出則不會(huì)有這樣的情況，因?yàn)樯侠娮杼峁┑碾娏鞅容^小。如果是推挽輸出的要設(shè)置為高阻態(tài)時(shí)，則兩個(gè)開(kāi)關(guān)必須同時(shí)斷開(kāi)(或者在輸出口上使用一個(gè)傳輸門(mén))，這樣可作為輸入狀態(tài)，AVR單片機(jī)的一些IO 口就是這種結(jié)構(gòu)。

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　　單片機(jī)內(nèi)部的邏輯經(jīng)過(guò)內(nèi)部的邏輯運(yùn)算后需要輸出到外面，外面的器件可能需要較大的電流才能推動(dòng)，因此在單片機(jī)的輸出端口必須有一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路。這種驅(qū)動(dòng)電路有兩種形式：

　　其中的一種是采用一只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(nèi)部的邏輯運(yùn)算，c引出。b受內(nèi)部驅(qū)動(dòng)可以控制三極管是否導(dǎo)通，但如果三極管的c極一直懸空，盡管b極上發(fā)生高低變化，c極上也不會(huì)有高低變化，因此在這種條件下必須在外部提供一個(gè)電阻，電阻的一端接c(引出腳)另一端接電源，這樣當(dāng)三極管的b有高電壓是三極管導(dǎo)通，c電壓為低，當(dāng)b為低電壓時(shí)三極管不通，c極在電阻的拉動(dòng)下為高電壓。這種驅(qū)動(dòng)電路有個(gè)特點(diǎn)：低電壓是三極管驅(qū)動(dòng)的，高電壓是電阻驅(qū)動(dòng)的——上下不對(duì)稱(chēng)，三極管導(dǎo)通時(shí)的ec內(nèi)阻很小，因此可以提供很大的電流，可以直接驅(qū)動(dòng)led甚至繼電器，但電阻的驅(qū)動(dòng)是有限的，最大高電平輸出電流=(VCC-Vh)/r;

　　另一種是互補(bǔ)推挽輸出，采用2只晶體管，一只在上一只在下，上面的一只是n型，下面為p型(以三極管為例)，兩只管子的連接為：NPN(上)的c連 VCC，PNP(下)的c接地，兩只管子的ee,bb相連，其中ee作為輸出(引出腳)，bb接內(nèi)部邏輯。這個(gè)電路通常用于功率放大點(diǎn)路的末級(jí)(音響)，當(dāng)bb接高電壓時(shí)NPN管導(dǎo)通輸出高電壓，由于三極管的ec電阻很小，因此輸出的高電壓有很強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，當(dāng)bb接低電壓時(shí)NPN截至，PNP導(dǎo)通，由于三極管的ec電阻很小因此輸出的低電壓有很強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力。簡(jiǎn)單的例子，9013導(dǎo)通時(shí)ec電阻不到10歐，以Vh=2.5v，VCC=5v計(jì)算，高電平輸出電流最大=250MA，短路電流500ma，這個(gè)計(jì)算同時(shí)告訴我們采用推挽輸出時(shí)一定要小心千萬(wàn)不要出現(xiàn)外部電路短路的可能，否則肯定燒毀芯片，特別是外部驅(qū)動(dòng)三極管時(shí)別忘了在三極管的基極加限流電阻。推挽輸出電路的形式很多，有些單片機(jī)上下都采用n型管，但內(nèi)部邏輯提供互補(bǔ)輸出，以上的說(shuō)明僅僅為了說(shuō) 明推挽的原理，為了更深的理解可以參考功率放大電路。

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　　上拉電阻很大，提供的驅(qū)動(dòng)電流很小，叫弱上拉;反之叫強(qiáng)上拉。

　　為什么要使用拉電阻：

　　上拉就是將不確定的信號(hào)通過(guò)一個(gè)電阻嵌位在高電平，電阻同時(shí)起限流作用，下拉同理。上拉是對(duì)器件注入電流，下拉是輸出電流，弱強(qiáng)只是上拉電阻的阻值不同，沒(méi)有什么嚴(yán)格區(qū)分。

　　對(duì)于非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(kāi)路輸出型電路輸出電流通道。

　　上拉電阻的主要應(yīng)用：

　　1、當(dāng)TTL電路驅(qū)動(dòng)COMS電路時(shí)，如果TTL電路輸出的高電平低于COMS電路的最低高電平(一般為3.5V)，這時(shí)就需要在TTL的輸出端接上拉電阻，以提高輸出高電平的值。

　　2、OC門(mén)電路要輸出“1”時(shí)需要加上拉電阻，不加根本就沒(méi)有高電平。

　　3、為加大輸出引腳的驅(qū)動(dòng)能力，有的單片機(jī)管腳上也常使用上拉電阻，但在用OC門(mén)作驅(qū)動(dòng)(例如：控制一個(gè) LED)灌電流工作時(shí)就可以不加上拉電阻。

　　4、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(chǎn)生降低輸入阻抗，提供泄荷通路。

　　5、提高總線的抗電磁干擾能力。管腳懸空就比較容易接受外界的電磁干擾。

　　6、長(zhǎng)線傳輸中電阻不匹配容易引起反射波干擾，加上下拉電阻是電阻匹配，有效的抑制反射波干擾。

　　上拉電阻阻值的選擇原則包括：

　　1、從節(jié)約功耗及芯片的灌電流能力考慮應(yīng)當(dāng)足夠大;電阻大，電流小。

　　2、從確保足夠的驅(qū)動(dòng)電流考慮應(yīng)當(dāng)足夠小;電阻小，電流大。

　　3、對(duì)于高速電路，過(guò)大的上拉電阻可能邊沿變平緩。

　　綜合考慮以上三點(diǎn)，通常在1k到10k之間選取。對(duì)下拉電阻也有類(lèi)似道理。

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　　高阻態(tài)時(shí)引腳對(duì)地電阻無(wú)窮，此時(shí)讀引腳電平時(shí)可以讀到真實(shí)的電平值。高阻態(tài)的重要作用就是I/O(輸入/輸出)口在輸入時(shí)讀入外部電平用。

　　一般門(mén)與其它電路的連接，無(wú)非是兩種狀態(tài)，1或者0，在比較復(fù)雜的系統(tǒng)中，為了能在一條傳輸線上傳送不同部件的信號(hào)，研制了相應(yīng)的邏輯器件稱(chēng)為三態(tài)門(mén)。三態(tài)門(mén)，除了有這兩種狀態(tài)以外還有一個(gè)高阻態(tài)，就是高阻抗(電阻很大，相當(dāng)于開(kāi)路)。相當(dāng)于該門(mén)與和它連接的電路處于斷開(kāi)的狀態(tài)。三態(tài)門(mén)是一種擴(kuò)展邏輯功能的輸出級(jí)，也是一種控制開(kāi)關(guān)。主要是用于總線的連接，因?yàn)榭偩€只允許同時(shí)只有一個(gè)使用者。通常在數(shù)據(jù)總線上接有多個(gè)器件，每個(gè)器件通過(guò)OE/CE之類(lèi)的信號(hào)選通。如器件沒(méi)有選通的話它就處于高阻態(tài)，相當(dāng)于沒(méi)有接在總線上，不影響其它器件的工作。

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　　準(zhǔn)雙向口只能有效的讀取0，而對(duì)1則是采用讀取非零的方式，就是讀入的時(shí)候要先向IO上寫(xiě)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(yù)操作可直接讀入讀出。