详解IO口开漏与推挽输出

一路上

前言

微控制器通过引脚与外界连接，集成电路(IC)上的引脚可以连接到PCB的焊盘。每个引脚的在IC内部都有用于驱动的电路，引脚可以通过内部驱动电路配置，与不同类型的数字或模拟电路连接。

GPIO内部的结构示意图，PMOS带了一个⚪，说明是低电平导通。

GPIO的示意图中有输入和输出，如果简化为输出，则如下所示：

正确配置引脚是设计嵌入式系统的重要部分，引脚配置如下图：

I/O模式配置

引脚配置术语细节

高阻态（High impedance-High Z）：引脚为高阻态，可有效地消除其对所连接电路的影响。除非外部电路(上拉/下拉)驱动它，否则引脚是“悬空的” 不会主动驱动。

悬空（Floating pin）：引脚未进行任何连接或不受IC驱动被称为“悬空”，“悬空”引脚的电压无法预测。高阻态引脚如果不受外部电路（上拉/下拉）驱动也被称为“悬空”。

上拉电阻和下拉电阻：上拉电阻、下拉电阻用于对“悬空”引脚设置电平（逻辑0或逻辑1）。上拉电阻连接到电源，可以将“悬空”引脚拉到高电平；下拉电阻连接到GND，可以将“悬空”引脚拉到低电平。

线与（wired-AND）：线与是指将两个输出连接在一起，或将多个输出连接在一起。

推挽输出（Push-Pull）

推挽输出的内部电路大概是下图这个样子，由一个P-MOS和一个N-MOS组合而成，同一时间只有一个管子能够进行导通。

当输出高电平时候，P-MOS导通，N-MOS截至，此时电源电流入R5。

当输出低电平时候，N-MOS导通，P-MOS截至，此时电流流入R5的为0。

线与（Wired-AND）

推挽输出高电平与电源电压基本上没有压差 高低电平的驱动能力较强，推挽输出的电流都能达到几十mA。 但是无法进行线与操作，做进行线与操作，那么电源和地就会短路，因为mos管电阻很小。 看下图可以得知，电流通过Q3的P-MOS流到Q2的N-MOS，最终回到地。

开漏输出（Open Drain）

开漏输出又叫漏极开漏输出简化后可以看作如下的示意图。

若还是使用上面推挽的电路图，当N-MOS为低电平时候，那么他的输出就是一个高阻态。 可以看到，R5没有电流通过，电压也是接近于0，所以GPIO无法对外输出高电平。

此时需要增加一个上拉，这样的话上拉的电流就会流出去。 所以在开漏输出情况下，需要增加一个上拉才能进行输出高电平。

对于输出低电平，他和推挽输出差不多，电流通过N-MOS流到地中。

上图是没有增加上拉，但是开漏输出模式都需要增加，增加上拉之后如下图所示。 电流通过N-MOS流回地中。

输出电压（Output voltage）

由于推挽输出在输出的时候是通过单片机内部的电压，所以他的电压是不能改变的。 但是开漏输出是通过外部上拉的电压，所以可以改变开漏输出模式下的电压大小。 下图是当上拉为5V时候，也是可以驱动出去的，这个上拉电压最大值需要看单片机的耐压。

总结

开漏输出和推挽输出模式的区别主要是开漏输出只可以输出强低电平，高电平得靠外部电阻拉高。输出端相当于三极管的集电极，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)；推挽输出可以输出强高、低电平。

1.推挽输出更适合单线单向通信(SPI, UART)；开漏输出更适合双向单线通信(I2C, One-Wire)；

2.推挽输出没有使用上拉电阻功耗更低；开漏输出由于使用上拉电阻功耗更高；

3.推挽输在信号的斜率性的能更强；推挽输在信号的斜率性的能更弱；

4.推挽电路的坑，你踩过吗？