单片机硬件进阶心得3:输出端口驱动能力不足时的现象与危害
cac55 2024-12-07 09:50 22 浏览 0 评论
输出端口驱动能力不足时，也就是驱动负载电流过大时，通常表现为输出高电平1时输出电压不够高，而输出低电平0时输出电压不够低。
输出端口驱动能力不足时的现象
图1 推挽输出端口电路结构
在“单片机硬件进阶心得2:推挽输出端口电路结构”一文中，我们讨论了典型的推挽输出端口电路，如图1所示。
当端口输出高电平1时，内部MOS管Q1导通、Q2截至。理想情况下MOS管的漏极源极压降Vds=0V，所以端口输出高电平1时输出电压为电源Vcc。
当端口输出低电平0时，内部MOS管Q1截至、Q2导通。理想情况下MOS管的漏极源极压降Vds=0V，所以端口输出低电平0时输出电压为0V。
由于实际情况Vds是不可能为0的，所以输出高电平1时达不到电源电压Vcc的水平，而是Vcc-Vds。输出低电平0时也不可能低至0V，而是Vds。
MOS管的漏极源极压降Vds与端口输出电流有关，端口输出电流越大，Vds越大。所以当负载电流过大时，就会导致Vds过大，从而导致输出高电平电压Vcc-Vds不够高，而输出低电平电压Vds不够低。
危害
如图2所示，以5V CMOS逻辑电平为例：当输入信号电压在3.5V-5V之间时，电路解析为高电平1；当输入信号电压在0V-1.5V时，电路解析为低电平0；当输入信号电压在1.5V-3.5V之间时，属于不确定状态，会导致逻辑错乱，对于数字电路来讲是绝对不允许的。
图2 COMS逻辑电平门限电压
后记
大家搞单片机有没有经历过这样的阶段，明明设计的电路板没有问题，反复检查代码也没有问题，但是就是不能实现自己想要的功能。没有任何思路解决分析问题，心情是无比的低落、沮丧，感觉天都塌下来了。。。我在初学单片机的时候，就经历过这样一段过程。
2000年前搞单片机的，那是还没有SOC的概念，芯片功能都很单一，一个电路板上有好多元器件，像与或非各种逻辑门电路、译码器、锁存器、245驱动器、SRAM、EPROM、ADC等等经常会在一个电路板上出现。单片机外部总线上经常是需要挂一堆的芯片，从而出现一个输出脚驱动多个输入脚的情况，极易导致输出引脚电流驱动能力不足。
记得那时刚开始跟老师学习搞单片机开发时，老师设计原理图、PCB图，我负责焊接、调试、写测试代码。调试的过程中，经常发生一些怪异的现象，明明原理图、电路板都没有问题，焊接也是杠杠的，但是就是不能正常工作。每当遇到这种问题，我都是一筹莫展，只能等待老师过来指点迷津。
我将调试过程和故障现象进行描述后，每次老师都能给出建议，如何如何测试，问题点可能在哪里。按照老师指点，再通过逻辑笔、万用表、示波器的一番组合动作，最后经常找到的一类故障是某些信号输出高电平不够高、或者是输出低电平不够低，从而导致逻辑电平1与0混乱。（每次问题得到验证和解决后，老师极高的思维敏捷性都深深感触着我们几个小伙伴，都十分期盼自己啥时候也能像老师一样快速分析定位到问题啊）。
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