【STM32】轻松搞懂推挽和开漏输出怎么用

目录

1.  简介

2.  推挽输出

3.  开漏输出

4.  复用推挽/开漏输出

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1.  简介

        以STM32为例，我们知道对于STM32来说，每个GPI/O端口有两个32位配置寄存器(GPIOx_CRL, GPIOx_CRH)，两个32位数据寄存器(GPIOx_IDR和GPIOx_ODR)，一个32位置位/复位寄存器(GPIOx_BSRR)，一个16位复位寄存器(GPIOx_BRR)和一个32位锁定寄存器(GPIOx_LCKR)。

        根据数据手册中列出的每个1/0端口的特定硬件特征，GPIO端口的每个位可以由软件分别配置成多种模式：

• 输入：浮空输入、上拉输入、下拉输入、模拟输入。
• 输出：开漏输出、推挽输出、复用开漏输出、复用推完输出。

        其中对于输入，根据其名字都比较好理解，但是对于输出，什么是开漏？什么又是推挽呢？明明也是高低电平，为什么这样命名呢？

        看一下其数据手册，其输出物理层配置如下：

        首先先看一下其介绍，当I/O端口被配置为输出时：

● 输出缓冲器被激活
        ─ 开漏模式：输出寄存器上的’0’激活N-MOS，而输出寄存器上的’1’将端口置于高阻状态(PMOS从不被激活)。
        ─ 推挽模式：输出寄存器上的’0’激活N-MOS，而输出寄存器上的’1’将激活P-MOS。

● 施密特触发输入被激活

● 弱上拉和下拉电阻被禁止

● 出现在I/O脚上的数据在每个APB2时钟被采样到输入数据寄存器

● 在开漏模式时，对输入数据寄存器的读访问可得到I/O状态

● 在推挽式模式时，对输出数据寄存器的读访问得到最后一次写的值。

        根据介绍，我们将这一块单独拿出来，进行讲解：

        根据介绍，对于推挽和开漏的区分，主要在这两个MOS管上进行的一些区分，我们将这两个MOS管可能存在的状态列举一下：

	P-MOS	N-MOS	输出
状态1	打开	关闭	高电平
状态2	关闭	打开	低电平
状态3	关闭	关闭	浮空/高阻态
状态4	打开	打开	不存在

        对于第四种状态，为什么不存在呢？我们可以看一下，如果两个MOS管都处于导通状态，那么VDD和VSS也会导通，导致正负极短接烧毁电路，因此不存在两个MOS管都打开的状态：

2.  推挽输出

        这里我们将前两种状态拿过来：

	P-MOS	N-MOS	输出
状态1	打开	关闭	高电平
状态2	关闭	打开	低电平

        首先状态1，P-MOS管打开，N-MOS管关闭，此时电流的方向是从MCU往外输出，这个电流称为拉电流，我们想象是将电流“推”出去：

        接着状态2，P-MOS管关闭，N-MOS管打开，此时电流的方向是从外往MCU输入，这个电流成为灌电流，我们可以将其理解为“挽”回来：

        这样就实现了电平的“推”“挽”输出，通过开关两个MOS管的状态实现高低电平。

3.  开漏输出

        接着我们在将状态2和3拿出来：

	P-MOS	N-MOS	输出
状态2	关闭	打开	低电平
状态3	关闭	关闭	浮空/高阻态

        根据上面两种状态我们可以看出，P-MOS管一直处于关闭状态，相当于没有，也就是说下面的MOS管的漏极相当于啥也没接，处于一个开路状态，因此这个模式称之为“开漏”输出：

        开漏输出最重要的作用是：电平匹配，在设计电路时不论是单片机还是外设芯片或是负载，每个个体的逻辑电平可能是不一样的，这种情况时就需要作电平的匹配，就用到了开漏输出模式。

        举个例子，假如我们有一个5V的芯片，此时想要去控制另一个3.3V的芯片，如果使用推挽输出，是不是5V的电平有可能将3.3V的引脚烧毁：

        而如果我们使用开漏输出，对于开漏输出模式，因为场效应管的漏极直接引出，是需要加一个外置电源的，我们可以通过外接电源的方式得到想要的电平：

        这样就可以实现5V单片机对于3.3V芯片的控制。

        同时我们在思考一个问题，假如我们想要两个单片机控制同一个控制器的引脚，如果我们使用推完输出，可能会导致这样的情况：

        如果控制器1想要控制高电平，但是控制器2想要控制低电平，这就会导致两个控制器的正负极直接短接，可能会烧毁电路。

        而如果我们使用开漏输出，电路如下：

        此时Q2和Q3的几种状态如下：

Q2	Q3	输出
打开	关闭	低电平
关闭	打开
打开	打开
关闭	关闭	高电平

        也就是线与的特性，只有全为关闭的状态下，也就是MOS管都截止时，此时的引脚就相当于连接了一个无穷大的电阻，所有IO引脚对外呈现的是高阻态，当MCU供电为5V，开漏输出引脚上接外部3.3V电源时，因为N-MOS的阻值无穷大，所以此时IO引脚上的电压就接近与3.3V电压。

根据这一特性我们就可以实现IIC的主从机控制。

4.  复用推挽/开漏输出

        对于复用的介绍：

● 在开漏或推挽式配置中，输出缓冲器被打开

● 内置外设的信号驱动输出缓冲器(复用功能输出) 

● 施密特触发输入被激活

● 弱上拉和下拉电阻被禁止

● 在每个APB2时钟周期，出现在I/O脚上的数据被采样到输入数据寄存器

● 开漏模式时，读输入数据寄存器时可得到I/O口状态

● 在推挽模式时，读输出数据寄存器时可得到最后一次写的值

        我们可以对比一下普通和复用的两张图：

        可以发现二者的功能实现大体上是相同的，只是

• 普通GPIO模式：输出信号来自CPU的输出数据寄存器（由你写代码 GPIOx->ODR = 1 来控制）。
• 复用功能模式：输出信号直接来自片上的外设（例如，当UART要发送一个bit时，它会自动控制这个引脚的电平）。

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