Open-Drain&Push-Pull

Posted 2020-09-18 Christal_R

在配置GPIO(General Purpose Input Output)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：

一、Push-Pull推挽输出

1、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。

2、优点

（1）可以吸电流，也可以贯电流；

（2）push-pull输出的优势是速度快，因为线路是以两种方式驱动的；

（3）和开漏输出相比，push－pull的高低电平由IC的电源决定，不能简单的做逻辑操作等。

3、缺点

（1）一条总线上只能有一个push-pull输出的器件；

（2）push-pull往往需要消耗更多的电流，即功耗相对大。

二、Open-Drain开漏输出

1、原理

开漏电路是指以MOSFET的漏极为输出的电路，

在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比push-pull少了个top transistor，只有bottom transistor。

就像push-pull中那样，当bottom transistor关闭，则输出为高电平，但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。

2、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pull-up resistor，MOSFET到GND。IC内部仅需很小的栅极驱动电流。

（4）可以改变上拉电源的电压，改变传输电平，如图所示，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

3、缺点

（1）开漏Pin不连接外部的上拉电阻，则只能输出低电平，如果要输出高电平，必需加上拉电阻。

（2）带了上拉电阻的线路，即使以最快的速度去提升电压，最快也要一个常量的R×C的时间。其中R是电阻，C是寄生电容(parasitic capacitance)，包括了pin脚的电容和板子的电容。

（3）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。但是大的阻值会使输出信号的上升时间变慢，即上拉电阻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。但上拉电阻不能太小，因为当输出为低电平的时候，需要sink更低的transistor，这意味着更高的功耗。

三、open-drain和push-pull的总结

对于GPIO的模式的设置，在不考虑是否需要额外的上拉电阻的情况下，是设置为open-drain还是push-pull？

说到底，还是个权衡的问题：

　　如果你想要电平转换速度快的话，那么就选push-pull，但是缺点是功耗相对会大些。

　　如果你想要功耗低，且同时具有“线与”的功能，那么就用open-drain的模式。

（同时注意GPIO硬件模块内部是否有上拉电阻，如果没有，需要硬件电路上添加额外的上拉电阻）

正所谓，转换速度与功耗，是鱼与熊掌，二则不可兼得焉。