单片机硬件进阶心得10:集电极开路OC门、漏极开路OD门输出端口
cac55 2024-12-07 09:51 33 浏览 0 评论
集电极开路OC门、漏极开路OD门为解决“线与”而生。在单片机中，OC门、OD门的典型应用如I2C接口、部分外设中断输出端口等。
开极、开漏输出与推挽输出是我们在学习电子电路的必须要掌握的知识点，也是我们在设计控制系统时必须要用到的知识点。
先从他们的原理开始讲：
首先是开集输出，集就是指的三极管的集电极了。下图就是集电极开路输出的两种形式：
第一种是NPN型开集输出，就是在电路没有接入负载时，如果输入信号为高电平，输出就是低电平；如果输入为低电平，输出为高阻态。当接入负载时，当输入信号为高电平时，三极管导通，电流经过负载流过三极管；输入为低电平时，三极管截止，负载中无电流流过。
了解了开集输出，那么开漏输出也就很好理解了。它是指MOS管漏极开路输出结构。它也是分成两种形式：
第一种是NPN型开集输出，就是在电路没有接入负载时，如果输入信号为高电平，输出就是低电平；如果输入为低电平，输出为高阻态。当接入负载时，当输入信号为高电平时，三极管导通，电流经过负载流过三极管；输入为低电平时，三极管截止，负载中无电流流过。
开集和开漏输出结构在输出原理上是相通的，只是通过2中不同的器件来完成输出，以上这两种电路是用于负载驱动，电路的驱动能力取决于器件信号与电源功率。当我们把负载电阻更换为上拉/下拉电阻，就可以让这个电路作为电平转换电路使用。
接下来说说推挽输出，推挽输出一般由2个三极管或2个MOS管组成，推挽输出的特点就是驱动能力强，在不加外部负载时，可以正常输出高电平和低电平，我们以三极管组成的推挽电路为例做电路分析，当输入信号为低电平时，Q3关断，Q4导通，输出为低电平；输入为高电平时，Q3导通，Q4关断，输出为高电平。下图为推挽输出结构图：
这里有小伙伴就比较迷惑，既然推挽输出的驱动输出稳定，而且驱动能力强，那为啥还要去用开集或开漏输出结构呢？他们应用场合有什么区别呢？
举两种应用场景，就知道他们的妙用了。第一种，以STM32的I/O端口位的基本结构为例，下图是单片机的I/O输出结构图，由一个P-MOS与N-MOS组成，通过配置，可以通过控制P-MOS与N-MOS的导通，使输出配置为开漏或推挽输出。当P-MOS禁止时，输出配置为开漏输出，开漏模式一般应用在I2C、SMBUS通讯等需要“线与”功能的总线电路中，除此之外，还用在电平不匹配的场合，如需要输出5伏的高电平，就可以在外部接一个上拉电阻，上拉电源为5伏，把GPIO设置为开漏模式，由上拉电阻和电源向外输出5伏的电平。当P-MOS使能时，输出配置为推挽输出，这时候单片机就可以正常输出高、低电平了。
其实，对开集、开漏的使用，最大的应用场景就是在工控场景的PLC系统里，不管是PLC的输出，还是传感器的输出，大部分都采用的是开集输出，这里使用开集输出的原因就是可以实现不同传感器电平的兼容，也可以实现传感器并联到同一个PLC的DI输入点，如果传感器采用推挽输出，在一个PLC的DI输入点上接入单个传感器时，工作时没问题的，当将2个传感器并联到同一个PLC的DI输入点，若一个传感器输出高电平，另外一个传感器输出低电平，这时候就会造成短路，损坏传感器。
转载自：达尔闻说
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/BbnjbDEZej5rxI5gEEw3ZQ
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