Open-Drain与Push-Pull

Posted 2021-02-05 sky-heaven

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GPIO的功能，简单说就是可以根据自己的需要去配置为输入或输出。(General Purpose Input Output，简称为GPIO或总线扩展器，利用工业标准I2C、SMBus?或SPI?接口简化了I/O口的扩展。当微控制器或芯片组没有足够的I/O端口，或当系统需要采用远端串行通信或控制时，GPIO产品能够提供额外的控制和监视功能。)但是在配置GPIO管脚的时候，常会见到两种模式：开漏（open-drain，漏极开路）和推挽（push-pull）。对此两种模式，有何区别和联系，下面整理了一些资料，来详细解释一下：

【Push-Pull推挽输出】

原理：

输出的器件是指输出脚内部集成有一对互补的MOSFET，当Q1导通、Q2截止时输出高电平；而当Q1截止导通、Q2导通时输出低电平。Push-Pull输出，实际上内部是用了两个晶体管（transistor），此处分别称为Top-Transistor和Bottom-Transistor。通过开关对应的晶体管，输出对应的电平。Top-Transistor打开(Bottom-Transistor关闭)，输出为高电平；Bottom-Transistor打开(Top-Transistor关闭)，输出低电平。Push-pull即能够漏电流(sink current)，又可以集电流(source current)。其也许有，也许没有另外一个状态：高阻抗（high impedance）状态。除非Push-pull需要支持额外的高阻抗状态，否则不需要额外的上拉电阻。

特点：在CMOS电路里面应该叫CMOS输出更合适，因为在CMOS里面的push－pull输出能力不可能做得双极那么大。输出能力看IC内部输出极N管P管的面积。push－pull是现在CMOS电路里面用得最多的输出级设计方式。

优点：（1）可以吸电流，也可以贯电流；（2）和开漏输出相比，push－pull的高低电平由IC的电源低定，不能简单的做逻辑操作等。

缺点：一条总线上只能有一个push-pull输出的器件；

【Open-Drain开漏输出】

原理：

开漏电路就是指以MOSFET的漏极为输出的电路。指内部输出和地之间有个N沟道的MOSFET（Q1），这些器件可以用于电平转换的应用。输出电压由Vcc决定。Vcc可以大于输入高电平电压VCC (call UP-Translate)也可以低于输入高电平电压VCC(call Down-Translate)
Open-Drain输出，则是比push-pull少了个top transistor，只有那个bottom transistor。（就像push-pull中的那样）当bottom transistor关闭，则输出为高电平。此处没法输出高电平，想要输出高电平，必须外部再接一个上拉电阻（pull-up resistor）。Open-drain只能够漏电流（sink current），如果想要集电流（source current），则需要加一个上拉电阻。

优点：
（1）对于各种电压节点间的电平转换非常有用，可以用于各种电压节点的Up-translate和Down-translate转换
（2）可以将多个开漏输出的Pin脚，连接到一条线上，形成“与逻辑”关系,即“线与”功能，任意一个变低后，开漏线上的逻辑就为0了。这也是I2C，SMBus等总线判断总线占用状态的原理。
（3）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R pull-up ，MOSFET到GND。IC内部仅需很小的栅极驱动电流。
（4）可以利用改变上拉电源的电压，改变传输电平，如图， IC的逻辑电平由电源Vcc1决定，而输出高电平则由Vcc2决定。这样我们就可以用低电平逻辑控制输出高电平逻辑了。

OD输出电平的原理

缺点：开漏Pin不连接外部的上拉电阻，则只能输出低电平。当输出电平为低时，N沟道三极管是导通的，这样在Vcc‘和GND之间有一个持续的电流流过上拉电阻R和三极管Q1。这会影响整个系统的功耗。采用较大值的上拉电阻可以减小电流。但是，但是大的阻值会使输出信号的上升时间变慢。即上拉电阻R pull-up的阻值 决定了逻辑电平转换的沿的速度。阻值越大，速度越低功耗越小。反之亦然。