开漏Open Drain 和 推挽Push Pull 输出

本文详细介绍了开漏(OpenDrain/OpenCollector)与推挽(PushPull)两种输出方式的工作原理及其应用。开漏输出适用于电流型驱动场景,需要上拉电阻才能输出高电平;推挽输出可以直接输出高低电平,适用于连接数字器件。

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开漏Open Drain(开集Open Collector)

开漏输出:输出端相当于三极管的集电极,要得到高电平状态需要上拉电阻才行,适合于做电流型的驱动,其吸收电流的能力相对强(一般20mA以内)。
栅极输入 0 时,NMOS 的漏极和源极导通,输出0。 
栅极输入 1 时,NMOS 不导通,漏极高阻,输出1(需要外部上拉电路,上升沿比较缓慢)。


推挽Push Pull

推挽输出:可以输出高,低电平,连接数字器件。 
栅极输入 0 时,高侧PMOS 高阻,低侧NMOS导通,输出0。 

栅极输入 1 时,高侧PMOS 导通,低侧NMOS高阻,输出1(不需要外部上拉电路,上升沿比较陡峭)。




备注:

在STM32单片机中,IO端口有以下两种输出类型:

(7)复用功能的推挽输出_AF_PP --片内外设功能(I2C的SCL,SDA)

(8)复用功能的开漏输出_AF_OD--片内外设功能(TX1,MOSI,MISO.SCK.SS)

此时的IO端口只能做说明中的特定功能(I2C或者SPI),而不再是普通的GPIO功能。

<think>嗯,用户想了解Open Drain的工作原理实现方法,无论是在电子学还是编程中。首先,我需要明确什么是Open Drain。在电子学中,Open Drain)是一种输出配置,常见于数字电路中,比如微控制器的GPIO引脚。它的基本结构是MOSFET的路,需要通过外部上拉电阻连接到电源,这样才能输出高电平。当MOSFET关闭时,输出被上拉电阻拉高;当导通时,输出被拉低到地。这种结构允许多个设备共享同一总线,比如I2C通信,避免总线竞争。 接下来是编程中的实现。在软件层面,Open Drain模式可能需要配置GPIO为模式,并控制输出状态。比如,设置引脚为高阻态或低电平。例如,在STM32中,配置GPIO为输出,并配合上拉电阻使用。代码示例可能会有初始化部分,设置引脚模式,然后在输出时写高或低电平。 用户可能想知道Open Drain推挽输出的区别,所以需要比较两者的不同。推挽输出可以直接输出高或低电平,而Open Drain需要外部上拉,适合总线应用。此外,可能还需要解释上拉电阻的作用,比如阻值选择对上升时间功耗的影响。 可能的相关问题包括Open Drain的应用场景,比如I2C、中断共享;与推挽输出的对比;上拉电阻的计算;电平转换的实现;以及在软件中的配置方法。需要确保覆盖这些方面,帮助用户全面理解。 需要检查是否有遗点,比如在编程中是否提到具体的代码示例,或者电平转换的具体原理。另外,是否提到了Open Drain的优点,比如防止短路,支持多设备总线等。确保引用相关知识点,比如I2C总线的工作方式,可能添加引用标识。 最后,生成的问题要针对用户可能进一步想知道的内容,比如应用场景、区别、电阻选择、电平转换软件配置。确保问题覆盖用户可能的疑问,帮助他们深入学习。</think>### Open Drain的工作原理及实现方法 #### 1. 电子学中的Open Drain Open Drain)是一种常见的数字电路输出结构,核心特点是输出端仅通过MOSFET的极连接到地(不直接连接电源)。其工作原理如下: - **电路结构**:输出级仅包含一个N型MOSFET,极(输出端)需外接上拉电阻$R_{pull-up}$到电源$V_{CC}$[^1]。 - **工作模式**: - **低电平输出**:MOSFET导通时,输出被拉低至GND($V_{out}=0$) - **高阻态输出**:MOSFET关断时,输出电平由外部电路决定(通过上拉电阻达到$V_{CC}$) 典型应用场景包括: - I²C总线通信(多设备共享总线时避免电平冲突) - 电平转换(连接不同电压域的设备) - 中断信号共享(多个设备触发同一中断线) #### 2. 编程中的Open Drain实现 在嵌入式系统中,Open Drain模式通过GPIO配置实现: ```c // STM32配置示例(HAL库) GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0}; GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_6; GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_OD; // 模式 GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP; // 启用内部上拉 HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct); ``` 关键编程行为: - 写0:强制输出低电平(MOSFET导通) - 写1:释放总线(MOSFET关断,实际电平由上拉电阻决定) #### 3. 重要特性对比 | 特性 | Open Drain | 推挽输出 | |--------------------|------------------|----------------| | 驱动能力 | 单方向(仅拉低) | 双向驱动 | | 总线竞争 | 支持多设备共享 | 可能短路 | | 电平转换兼容性 | 支持 | 需要额外电路 | | 功耗 | 低电平阶段耗电 | 高低电平均耗电 | #### 4. 设计注意事项 - **上拉电阻选择**:需平衡上升时间与功耗,典型值范围1kΩ~10kΩ[^2] $$ R_{min} = \frac{V_{CC} - V_{OL}}{I_{OL}} $$ - 电平转换实现:通过连接不同电压的上拉电阻,例如3.3V设备与5V设备通信时: $$ V_{out\_high} = V_{CC\_external} $$
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