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发表于 2007-6-3 22:52:06
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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。
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上拉电阻实际上是集电极输出的负载电阻。不管是在开关应用和模拟放大，此电阻的选则都不是拍脑袋的。工作在线性范围就不多说了，在这里是讨论的是晶体管是开关应用，所以只谈开关方式。找个TTL器件的资料单独看末级就可以了，内部都有负载电阻根据不同驱动能力和速度要求这个电阻值不同，低功耗的电阻值大，速度快的电阻值小。但芯片制造商很难满足应用的需要不可能同种功能芯片做许多种，因此干脆不做这个负载电阻，改由使用者自己自由选择外接，所以就出现OC、OD输出的芯片。由于数字应用时晶体管工作在饱和和截止区，对负载电阻要求不高，电阻值小到只要不小到损坏末级晶体管就可以，大到输出上升时间满足设计要求就可，随便选一个都可以正常工作。但是一个电路设计是否优秀这些细节也是要考虑的。集电极输出的开关电路不管是开还是关对地始终是通的，晶体管导通时电流从负载电阻经导通的晶体管到地，截止时电流从负载电阻经负载的输入电阻到地，如果负载电阻选择小点功耗就会大，这在电池供电和要求功耗小的系统设计中是要尽量避免的，如果电阻选择大又会带来信号上升沿的延时，因为负载的输入电容在上升沿是通过无源的上拉电阻充电，电阻越大上升时间越长，下降沿是通过有源晶体管放电，时间取决于器件本身。因此设计者在选择上拉电阻值时，要根据系统实际情况在功耗和速度上兼顾。
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从IC(MOS工艺)的角度,分别就输入/输出引脚做一解释:
1. 对芯片输入管脚, 若在系统板上悬空(未与任何输出脚或驱动相接)是比较危险的.因为此时很有可能输入管脚内部电容电荷累积使之达到中间电平(比如1.5V), 而使得输入缓冲器的PMOS管和NMOS管同时导通, 这样一来就在电源和地之间形成直接通路, 产生较大的漏电流, 时间一长就可能损坏芯片. 并且因为处于中间电平会导致内部电路对其逻辑(0或1)判断混乱. 接上上拉或下拉电阻后, 内部点容相应被充(放)电至高(低)电平, 内部缓冲器也只有NMOS(PMOS)管导通, 不会形成电源到地的直流通路. (至于防止静电造成损坏, 因芯片管脚设计中一般会加保护电路, 反而无此必要).
2. 对于输出管脚:
1)正常的输出管脚(push-pull型), 一般没有必要接上拉或下拉电阻.
2)OD或OC(漏极开路或集电极开路)型管脚,
这种类型的管脚需要外接上拉电阻实现线与功能(此时多个输出可直接相连. 典型应用是: 系统板上多个芯片的INT(中断信号)输出直接相连, 再接上一上拉电阻, 然后输入MCU的INT引脚, 实现中断报警功能).
其工作原理是:
在正常工作情况下, OD型管脚内部的NMOS管关闭, 对外部而言其处于高阻状态, 外接上拉电阻使输出位于高电平(无效中断状态); 当有中断需求时, OD型管脚内部的NMOS管接通, 因其导通电阻远远小于上拉电阻, 使输出位于低电平(有效中断状态). 针对MOS 电路上下拉电阻阻值以几十至几百K为宜.
(注: 此回答未涉及TTL工艺的芯片, 也未曾考虑高频PCB设计时需考虑的阻抗匹配, 电磁干扰等效应.)
图片附件: 14_557.jpg (1970-1-1 08:00, 29.08 K)
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