推挽输出与开漏输出

2023-05-16

推挽输出

要理解推挽输出,首先要理解好三极管(晶体管)的原理。下面这种三极管有三个端口,分别是基极(Base)、集电极(Collector)和发射极(Emitter)。下图是NPN型晶体管。

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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。

下面请允许我换一下概念,把基极B视为控制端,集电极C视为输入端,发射极E视为输出端。这里输入输出是指电流流动的方向。

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当控制端有电流输入的时候,就会有电流从输入端进入并从输出端流出。

而PNP管正好相反,当有电流从控制端流出时,就会有电流从输入端流到输出端。
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那么推挽电路:

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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。
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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。
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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。


开漏输出

那么什么是开漏呢?要理解开漏,可以先理解开集。
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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。
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当Vin没有电流,Q5断开时,LED亮。
当Vin流入电流,Q5导通时,LED灭。

一般开漏输出是如下图所示,无法输出高电平(当input为低或输入0时,Q6不导通,VCC驱动Q7导通,OUTPUT接地,为0;当input为高或输入1时,Q6导通,VCC直接接地,Q7不导通,OUTPUT为高阻态)
但是如果在output上接上拉电阻,则可以进行电平转换,且驱动能力较强
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开漏输出电路,和集电极开路一样,就是指从MOSFET的漏极输出的电路。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。添加其它的判断电路,才能具备双向输入、输出的能力

很多单片机等器件的I/O就是漏极开路形式,或者可以配置成漏极开路输出形式,如51单片机的P0口就为漏极开路输出。在实际应用中可以将多个开漏输出的引脚连接到一条线上,这样就形成“线与逻辑”关系。注意这个公共点必须接一个上拉电阻。当这些引脚的任一路变为逻辑0后,开漏线上的逻辑就为0了。在I2C等接口总线中就用此法判断总线占用状态。

同集电极开路一样,利用外部电路的驱动能力(驱动能力相对集电极开路要强一点),减少IC内部的驱动。当IC内部MOSFET导通时,驱动电流是从外部的VCC流经上拉电阻,再经MOSFET到GND。IC内部仅需很小的栅极驱动电流,因此漏极开路也常用于驱动电路中


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:
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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。

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