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纯净的硅(中级)

为什么必须要在OC门输出的IO口上加上拉电阻? [复制链接]

A:我们先来说说集电极开路输出的结构。集电极开路输出的结构如图1所示,右边的那个三极管集电极什么都不接,所以叫做集电极开路(左边的三极管为反相之用,使输入为“0”时,输出也为“0”)。对于图1,当左端的输入为“0”时,前面的三极管截止(即集电极C跟发射极E之间相当于断开),所以5V电源通过1K电阻加到右边的三极管上,右边的三极管导通(即相当于一个开关闭合);当左端的输入为“1”时,前面的三极管导通,而后面的三极管截止(相当于开关断开)。




我们将图1简化成图2的样子。图2中的开关受软件控制,“1”时断开,“0”时闭合。很明显可以看出,当开关闭合时,输出直接接地,所以输出电平为0。而当开关断开时,则输出端悬空了,即高阻态。这时电平状态未知,如果后面一个电阻负载(即使很轻的负载)到地,那么输出端的电平就被这个负载拉到低电平了,所以这个电路是不能输出高电平的。


再看图三。图三中那个1K的电阻即是上拉电阻。如果开关闭合,则有电流从1K电阻及开关上流过,但由于开关闭和时电阻为0(方便我们的讨论,实际情况中开关电阻不为0,另外对于三极管还存在饱和压降),所以在开关上的电压为0,即输出电平为0。如果开关断开,则由于开关电阻为无穷大(同上,不考虑实际中的漏电流),所以流过的电流为0,因此在1K电阻上的压降也为0,所以输出端的电压就是5V了,这样就能输出高电平了。但是这个输出的内阻是比较大的(即1KΩ),如果接一个电阻为R的负载,通过分压计算,就可以算得最后的输出电压为5*R/(R+1000)伏,即5/(1+1000/R)伏。所以,如果要达到一定的电压的话,R就不能太小。如果R真的太小,而导致输出电压不够的话,那我们只有通过减小那个1K的上拉电阻来增加驱动能力。但是,上拉电阻又不能取得太小,因为当开关闭合时,将产生电流,由于开关能流过的电流是有限的,因此限制了上拉电阻的取值,另外还需要考虑到,当输出低电平时,负载可能还会给提供一部分电流从开关流过,因此要综合这些电流考虑来选择合适的上拉电阻。


如果我们将一个读数据用的输入端接在输出端,这样就是一个IO口了(51的IO口就是这样的结构,其中P0口内部不带上拉,而其它三个口带内部上拉),当我们要使用输入功能时,只要将输出口设置为1即可,这样就相当于那个开关断开,而对于P0口来说,就是高阻态了。


对于漏极开路(OD)输出,跟集电极开路输出是十分类似的。将上面的三极管换成场效应管即可。这样集电极就变成了漏极,OC就变成了OD,原理分析是一样的。


另一种输出结构是推挽输出。推挽输出的结构就是把上面的上拉电阻也换成一个开关,当要输出高电平时,上面的开关通,下面的开关断;而要输出低电平时,则刚好相反。比起OC或者OD来说,这样的推挽结构高、低电平驱动能力都很强。如果两个输出不同电平的输出口接在一起的话,就会产生很大的电流,有可能将输出口烧坏。而上面说的OC或OD输出则不会有这样的情况,因为上拉电阻提供的电流比较小。如果是推挽输出的要设置为高阻态时,则两个开关必须同时断开(或者在输出口上使用一个传输门),这样可作为输入状态,AVR单片机的一些IO口就是这种结构。


集电极开路输出大概有以下几个好处:


1.可以实现线与功能,即两个或多个输出端可并联在一起,然后接一上拉电阻至高电平。这样,只要有一个输出是低,
那么结果就是低,即实现了与的功能。


2.跟上面的有点类似,那就是多个门输出端接在一起时,不会导致损坏。


3.可以用来控制较高的电平。典型应用可以看看ULN2003。


4.跟3类似,当输出断开时,为高阻态,这样就可以做输入口使用了。典型应用请看8951单片机的IO口结构,
置1时即为输入口。




对于集电极开路(OC)或者漏极开路(OD)输出的,如果要输出高电平,必须接上拉电阻,因为OC或OD门,
置1时输出相当于悬空。


写得不错。不过,这句话要修订一下:


**


对于集电极(OC)或者漏极开路(OD)输出的,如果要输出高电平,必须接上拉电阻,因为OC或OD门, 置1时输出相当于悬空。


**


在要输出低电平时,也要上拉电阻。因为OC或OD原本都是没有电平的,必须“人为”地给它们加一个高电平作为初始电平。


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