集电极开路输出和漏极开路输出

Posted 2021-01-13 isandywu

　一、集电极开路输出

　　1、集电极开路输出原理

　　在电路中常会遇到漏极开路（Open Drain）和集电极开路（Open Collector）两种情形。漏极开路电路概念中提到的“漏”是指 MOSFET的漏极。同理，集电极开路电路中的“集”就是指三极管的集电极。在数字电路中，分别简称OD门和OC门。

　　集电极开路电路是灌电流输出器件。在关断状态时，集电极开路输出连到地；在导通状态时，集电极开路输出悬空。因此，集电极开路输出需要一个源电流输入接口。下面表格中给出了一个简单的集电极开路输出电路的原理图。

　　

　　典型的集电极开路电路如下图所示。电路中右侧的三极管集电极什么都不接，所以叫做集电极开路，左侧的三极管用于反相作用，即左侧输入“0”时左侧三极管截止，VCC通过电阻加到右侧三极管基极，右侧三极管导通，右侧输出端连接到地，输出“0”。

　　

　　从图中电路可以看出集电极开路是无法输出高电平的，如果要想输出高电平可以在输出端加上上拉电阻。因此集电极开路输出可以用做电平转换，通过上拉电阻上拉至不同的电压，来实现不同的电平转换。

　　用做驱动器。由于OC门电路的输出管的集电极悬空，使用时需外接一个上拉电阻Rp到电源VCC。OC门使用上拉电阻以输出高电平，此外为了加大输出引脚的驱动能力，上拉电阻阻值的选择原则，从降低功耗及芯片的灌电流能力考虑应当足够大；从确保足够的驱动电流考虑应当足够小。

　　将OC门输出连在一起时，再通过一个电阻接外电源，可以实现“线与”逻辑关系。只要电阻的阻值和外电源电压的数值选择得当，就能做到既保证输出的高、低电平符合要求，而且输出三极管的负载电流又不至于过大。

　　集电极开路输出除了可以实现多门的线与逻辑关系外，通过使用大功率的三极管还可用于直接驱动较大电流的负载，如继电器、脉冲变压器、指示灯等。

　　2、集电极开路输出的应用

　　应用一：

　　实现与或非逻辑，用做电平转换，用做驱动器。由于OC门电路的输出管的集电极悬空，使用时需外接一个上拉电阻Rp到电源VCC。OC门使用上拉电阻以输出高电平，此外为了加大输出引脚的驱动能力，上拉电阻阻值的选择原则，从降低功耗及芯片的灌电流能力考虑应当足够大；从确保足够的驱动电流考虑应当足够小。

　　应用二：

　　线与逻辑，即两个输出端（包括两个以上）直接互连就可以实现“AND”的逻辑功能。在总线传输等实际应用中需要多个门的输出端并联连接使用，而一般TTL门输出端并不能直接并接使用，否则这些门的输出管之间由于低阻抗形成很大的短路电流（灌电流），而烧坏器件。在硬件上，可用OC门或三态门（ST门）来实现。 用OC门实现线与，应同时在输出端口应加一个上拉电阻。

　　应用三：

　　三态门（TS门）主要用在应用于多个门输出共享数据总线，为避免多个门输出同时占用数据总线，这些门的使能信号（EN）中只允许有一个为有效电平（如高电平），由于三态门的输出是推拉式的低阻输出，且不需接上拉（负载）电阻，所以开关速度比OC门快，常用三态门作为输出缓冲器。

　　二、漏极开路输出

　　1、漏极开路输出原理

　　和集电极开路一样，顾名思义，开漏电路就是指从MOSFET的漏极输出的电路。典型的用法是在漏极外部的电路添加上拉电阻到电源如图所示。完整的开漏电路应由开漏器件和开漏上拉电阻组成。这里的上拉电阻R的阻值决定了逻辑电平转换的上升/下降沿的速度。阻值越大，速度越低，功耗越小。因此在选择上拉电阻时要兼顾功耗和速度。标准的开漏脚一般只有输出的能力。添加其它的判断电路，才能具备双向输入、输出的能力。

　　

　　很多单片机等器件的I/O就是漏极开路形式，或者可以配置成漏极开路输出形式，如51单片机的P0口就为漏极开路输出。在实际应用中可以将多个开漏输出的引脚连接到一条线上，这样就形成“线与逻辑”关系。注意这个公共点必须接一个上拉电阻。当这些引脚的任一路变为逻辑0后，开漏线上的逻辑就为0了。在I2C等接口总线中就用此法判断总线占用状态。

　　同集电极开路一样，利用外部电路的驱动能力，减少IC内部的驱动。当IC内部MOSFET导通时，驱动电流是从外部的VCC流经上拉电阻，再经MOSFET到GND。IC内部仅需很下的栅极驱动电流，因此漏极开路也常用于驱动电路中。

　　2、特点

　　1）利用外部电路的驱动能力，减少ic内部的驱动。 或驱动比芯片电源电压高的负载。

　　2）可以将多个开漏输出的pin，连接到一条线上。通过一只上拉电阻，在不增加任何器件的情况下，形成“与逻辑”关系。这也是i2c，smbus等总线判断总线占用状态的原理。如果作为图腾输出必须接上拉电阻。接容性负载时，下降沿是芯片内的晶体管，是有源驱动，速度较快；上升延是无源的外接电阻，速度慢。如果要求速度高电阻选择要小，功耗会大。所以负载电阻的选择要兼顾功耗和速度。

　　3）可以利用改变上拉电源的电压，改变传输电平。例如加上上拉电阻就可以提供ttl/cmos电平输出等。

　　4）开漏pin不连接外部的上拉电阻，则只能输出低电平。一般来说，开漏是用来连接不同电平的器件，匹配电平用的。

　　5）正常的cmos输出级是上、下两个管子，把上面的管子去掉就是open-drain了。这种输出的主要目的有两个：电平转换和线与。

　　6）由于漏级开路，所以后级电路必须接一上拉电阻，上拉电阻的电源电压就可以决定输出电平。这样你就可以进行任意电平的转换了。

　　7）线与功能主要用于有多个电路对同一信号进行拉低操作的场合，如果本电路不想拉低，就输出高电平，因为open-drain上面的管子被拿掉，高电平是靠外接的上拉电阻实现的。（而正常的cmos输出级，如果出现一个输出为高另外一个为低时，等于电源短路。）

　　8）open-drain提供了灵活的输出方式，但是也有其弱点，就是带来上升沿的延时。因为上升沿是通过外接上拉无源电阻对负载充电，所以当电阻选择小时延时就小，但功耗大；反之延时大功耗小。所以如果对延时有要求，则建议用下降沿输出。

　　3、什么是线或逻辑与线与逻辑？

　　在一个结点（线）上， 连接一个上拉电阻到电源 vcc 或 vdd 和 n 个 npn 或 nmos 晶体管的集电极 c 或漏极 d， 这些晶体管的发射极 e 或源极 s 都接到地线上， 只要有一个晶体管饱和， 这个结点（线）就被拉到地线电平上。

　　因为这些晶体管的基极注入电流（npn）或栅极加上高电平（nmos）， 晶体管就会饱和， 所以这些基极或栅极对这个结点（线）的关系是或非 nor 逻辑。 如果这个结点后面加一个反相器， 就是或 or 逻辑。

　　注：个人理解：线与，接上拉电阻至电源。（~a）&（~b）=~（a+b），由公式较容易理解线与此概念的由来；

　　如果用下拉电阻和 pnp 或 pmos 管就可以构成与非 nand 逻辑， 或用负逻辑关系转换与/或逻辑。

　　注：线或，接下拉电阻至地。（~a）+（~b）=~（ab）;

　　这些晶体管常常是一些逻辑电路的集电极开路 oc 或源极开路 od 输出端。 这种逻辑通常称为线与/线或逻辑， 当你看到一些芯片的 oc 或 od 输出端连在一起， 而有一个上拉电阻时， 这就是线或/线与了， 但有时上拉电阻做在芯片的输入端内。

　　顺便提示如果不是 oc 或 od 芯片的输出端是不可以连在一起的， 总线 bus 上的双向输出端连在一起是有管理的， 同时只能有一个作输出， 而其他是高阻态只能输入。