上下拉電阻作用的引申—OC,OD門(mén)

　　簡(jiǎn)介：由上下拉電阻的作用引出本文的內(nèi)容，OC和OD門(mén)。

　　OC(open collector)是集電極開(kāi)路，必須外界上拉電阻和電源才能將開(kāi)關(guān)電平作為高低電平用。否則它一般只作為開(kāi)關(guān)大電壓和大電流負(fù)載，所以又叫做驅(qū)動(dòng)門(mén)電路。

　　集電極開(kāi)路輸出的結(jié)構(gòu)如圖1所示，右邊的那個(gè)三極管集電極什么都不接，所以叫做集電極開(kāi)路(左邊的三極管起反相作用，使輸入為"0"時(shí)，輸出也為"0")。對(duì)于圖1，當(dāng)左端的輸入為“0”時(shí)，前面的三極管截止，所以5V電源通過(guò)1K電阻加到右邊的三極管上，右邊的三極管導(dǎo)通(即相當(dāng)于一個(gè)開(kāi)關(guān)閉合);當(dāng)左端的輸入為“1”時(shí)，前面的三極管導(dǎo)通，而后面的三極管截止(相當(dāng)于開(kāi)關(guān)斷開(kāi))。

　　我們將圖1簡(jiǎn)化成圖2的樣子。圖2中的開(kāi)關(guān)受軟件控制，“1”時(shí)斷開(kāi)，“0”時(shí)閉合。很明顯可以看出，當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，輸出直接接地，所以輸出電平為0。而當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，則輸出端懸空了，即高阻態(tài)。這時(shí)電平狀態(tài)未知，如果后面一個(gè)電阻負(fù)載(即使很輕的負(fù)載)到地，那么輸出端的電平就被這個(gè)負(fù)載拉到低電平了，所以這個(gè)電路是不能輸出高電平的。

　　再看圖三。圖三中那個(gè)1K的電阻即是上拉電阻。如果開(kāi)關(guān)閉合，則有電流從1K電阻及開(kāi)關(guān)上流過(guò)，但由于開(kāi)關(guān)閉和時(shí)電阻為0(方便我們的討論，實(shí)際情況中開(kāi)關(guān)電阻不為0，另外對(duì)于三極管還存在飽和壓降)，所以在開(kāi)關(guān)上的電壓為0，即輸出電平為0。如果開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，則由于開(kāi)關(guān)電阻為無(wú)窮大(同上，不考慮實(shí)際中的漏電流)，所以流過(guò)的電流為0，因此在1K電阻上的壓降也為0，所以輸出端的電壓就是5V了，這樣就能輸出高電平了。但是這個(gè)輸出的內(nèi)阻是比較大的(即1KΩ)，如果接一個(gè)電阻為R的負(fù)載，通過(guò)分壓計(jì)算，就可以算得最后的輸出電壓為5*R/(R+1000)伏，即5/(1+1000/R)伏。所以，如果要達(dá)到一定的電壓的話，R就不能太小。如果R真的太小，而導(dǎo)致輸出電壓不夠的話，那我們只有通過(guò)減小那個(gè)1K的上拉電阻來(lái)增加驅(qū)動(dòng)能力。但是，上拉電阻又不能取得太小，因?yàn)楫?dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，將產(chǎn)生電流，由于開(kāi)關(guān)能流過(guò)的電流是有限的，因此限制了上拉電阻的取值，另外還需要考慮到，當(dāng)輸出低電平時(shí)，負(fù)載可能還會(huì)給提供一部分電流從開(kāi)關(guān)流過(guò)，因此要綜合這些電流考慮來(lái)選擇合適的上拉電阻。

　　OD(open drain)是漏極開(kāi)路。

　　對(duì)于漏極開(kāi)路(OD)輸出，跟集電極開(kāi)路輸出是十分類(lèi)似的。將上面的三極管換成場(chǎng)效應(yīng)管即可。這樣集電極就變成了漏極，OC就變成了OD，原理分析是一樣的。

　　開(kāi)漏形式的電路有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

　　a. 利用外部電路的驅(qū)動(dòng)能力，減少I(mǎi)C內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)。 或驅(qū)動(dòng)比芯片電源電壓高的負(fù)載.

　　b.可以將多個(gè)開(kāi)漏輸出的Pin，連接到一條線上。通過(guò)一只上拉電阻，在不增加任何器件的情況下，形成“與邏輯”關(guān)系。這也是I2C，SMBus等總線判斷總線占用狀態(tài)的原理。如果作為圖騰輸出必須接上拉電阻。接容性負(fù)載時(shí)，下降延是芯片內(nèi)的晶體管，是有源驅(qū)動(dòng)，速度較快;上升延是無(wú)源的外接電阻，速度慢。如果要求速度高電阻選擇要小，功耗會(huì)大。所以負(fù)載電阻的選擇要兼顧功耗和速度。

　　c. 可以利用改變上拉電源的電壓，改變傳輸電平。例如加上上拉電阻就可以提供TTL/CMOS電平輸出等。

　　d. 開(kāi)漏Pin不連接外部的上拉電阻，則只能輸出低電平。一般來(lái)說(shuō)，開(kāi)漏是用來(lái)連接不同電平的器件，匹配電平用的。

　　正常的CMOS輸出級(jí)是上、下兩個(gè)管子，把上面的管子去掉就是OPEN-DRAIN了。這種輸出的主要目的有兩個(gè)：電平轉(zhuǎn)換和線與。

　　由于漏級(jí)開(kāi)路，所以后級(jí)電路必須接一上拉電阻，上拉電阻的電源電壓就可以決定輸出電平。這樣你就可以進(jìn)行任意電平的轉(zhuǎn)換了。

　　線與功能主要用于有多個(gè)電路對(duì)同一信號(hào)進(jìn)行拉低操作的場(chǎng)合，如果本電路不想拉低，就輸出高電平，因?yàn)镺PEN-DRAIN上面的管子被拿掉，高電平是靠外接的上拉電阻實(shí)現(xiàn)的。(而正常的CMOS輸出級(jí)，如果出現(xiàn)一個(gè)輸出為高另外一個(gè)為低時(shí)，等于電源短路。)

　　OPEN-DRAIN提供了靈活的輸出方式，但是也有其弱點(diǎn)，就是帶來(lái)上升沿的延時(shí)。因?yàn)樯仙厥峭ㄟ^(guò)外接上拉無(wú)源電阻對(duì)負(fù)載充電，所以當(dāng)電阻選擇小時(shí)延時(shí)就小，但功耗大;反之延時(shí)大功耗小。所以如果對(duì)延時(shí)有要求，則建議用下降沿輸出。