从硬件角度分析GPIO的推挽输出和开漏输出

一起学嵌入式 2023-07-02 08:18

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大家好,今天分享一篇关于GPIO推挽输出和开漏输出的文章,彻底搞明白他们的工作原理。
关于STM32单片机的GPIO工作原理可以查阅之前的推文:详解 STM32 单片机 GPIO 的工作原理

推挽输出:可以输出高,低电平,连接数字器件。 

  • 输出 0 时,N-MOS 导通,P-MOS 高阻,输出0。 
  • 输出 1 时,N-MOS 高阻,P-MOS 导通,输出1(不需要外部上拉电路)。
开漏输出:输出端相当于三极管的集电极。 要得到高电平状态需要上拉电阻才行。适合于做电流型的驱动,其吸收电流的能力相对强(一般20ma以内)。
  • 输出 0 时,N-MOS 导通,P-MOS 不被激活,输出0。 

  • 输出 1 时,N-MOS 高阻, P-MOS 不被激活,输出1(需要外部上拉电路);可以读IO输入电平变化,此模式可以把端口作为双向IO使用。

网上找了些资料,推挽电路: 

 

上面的三极管是N型三极管,下面的三极管是P型三极管,请留意控制端、输入端和输出端。 
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,下面的三极管有电流流出,Q4导通,有电流从上往下流过。

、 

经过下面的P型三极管提供电流给负载(Rload),这就叫「挽」。 

以上,这就是推挽(push-pull)电路。

那么什么是开漏呢?要理解开漏,可以先理解开集。 

 

如图,开集的意思,就是集电极C一端什么都不接,直接作为输出端口。 

如果要用这种电路带一个负载,比如一个LED,必须接一个上拉电阻,就像这样。

当Vin没有电流,Q5断开时,LED亮。 

当Vin流入电流,Q5导通时,LED灭。

开漏电路,就是把上图中的三极管换成场效应管(MOSFET)。 

N型场效应管各个端口的名称: 

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。

有人说,开漏单刀单置,推挽单刀双置,这样理解也有一定的道理。

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