電子設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)，講一講OC/OD門(mén)，開(kāi)漏/推挽輸出，以及圖騰柱    ... 矜辰所致

前言

前幾天有小伙伴問(wèn)我能不能講講開(kāi)漏輸出，我回答了可以安排，寫(xiě)了這么多博文我確實(shí)沒(méi)有寫(xiě)過(guò)關(guān)于這方面的文章，因?yàn)橐郧拔乙恢备杏X(jué)有一些基礎(chǔ)的簡(jiǎn)單的東西實(shí)在是沒(méi)寫(xiě)的必要，感覺(jué)大家都懂，不懂網(wǎng)上一搜一大堆。

但是有些朋友對(duì)我還是比較支持，覺(jué)得我寫(xiě)的文章解釋很通俗易懂，而且也很詳細(xì)，希望我多整理一些基礎(chǔ)的知識(shí) = =！

既然如此，那么本文我們就來(lái)理一理 OC/OD門(mén) 以及與其有關(guān)的一些基礎(chǔ)知識(shí)。

一、OC/OD 門(mén)

在說(shuō)明這些基本概念之前，我們簡(jiǎn)單復(fù)習(xí)一下 NPN 三極管和 NMOS，主要提一下他們的引腳名字：

稍微記一下上面的引腳名字，我們來(lái)進(jìn)行今天的介紹。

認(rèn)識(shí) MOS 管的文章我已經(jīng)寫(xiě)過(guò)了：[全面認(rèn)識(shí)MOS管，一篇文章就夠了]，對(duì)于發(fā)燒友的小伙伴來(lái)說(shuō)，稍等等我也會(huì)帶給大家，三極管的兄弟們還在催 = =！

1.1 OC 門(mén)

OC門(mén) ：Open Collector ，又稱(chēng)集電極開(kāi)路，結(jié)合上面三極管的引腳很好理解，三極管的 C 集電極開(kāi)路的電路。

電路示意圖如下：

1.2 OD 門(mén)

OD門(mén)：Open Drain，漏極開(kāi)路門(mén)，和上面其實(shí)是一樣的，只不過(guò)上面是針對(duì)三極管而言，OD們是針對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管而言，也很好理解，MOS管的 D 漏極開(kāi)路 的電路。

電路示意圖如下：

以前講過(guò)，MOS管在很多場(chǎng)合性能要比晶體管要好，所以很多開(kāi)漏輸出電路都用MOS管實(shí)現(xiàn)。

在有些時(shí)候， 開(kāi)漏輸出可以泛指 OC門(mén)和 OD門(mén)電路。

1.3 電路說(shuō)明

在分析 OC/OD 門(mén)的時(shí)候，分析原理 是類(lèi)似的：

input 輸入高電平，output 輸出低電平； input 輸入低電平，output 呈現(xiàn)高阻態(tài)，電平不確定。

有一個(gè)細(xì)節(jié)得說(shuō)明一下：

OC 門(mén)input 為高電平的時(shí)候，output 實(shí)際輸出不是 0V， 因?yàn)槿龢O管存在飽和壓降，一般小功率三極管大概在0.2~ 0.3V，所以output 其實(shí)為 0.3V左右。

OD 門(mén)input 為高電平的時(shí)候，output 幾乎等于 0V，因?yàn)?MOS管的導(dǎo)通阻抗很低。

因?yàn)?OC/OD 門(mén)電路不具備輸出高電平的能力，所以在一般應(yīng)用中，是需要外接上拉電阻的。

如下圖：

上拉電阻的選擇：

上拉電阻過(guò)大，會(huì)影響信號(hào)切換的速度，就類(lèi)似于 IO 口的翻轉(zhuǎn)速度，如下圖：

上拉電阻過(guò)小，會(huì)更加功耗，甚至可能燒壞 OC/OD 門(mén)。其實(shí)就是影響了回路中的電流大小，上拉電阻過(guò)小，回路電流就越大，電流越大，功耗越大，甚至超過(guò) 三極管或者 MOS 管的最大電流，燒壞管子。

在實(shí)際使用中，個(gè)人經(jīng)驗(yàn) 1K ~ 10K 都是沒(méi)問(wèn)題的，我在 I2C 通訊中用用過(guò)10K ，也用過(guò) 3.3K 都沒(méi)什么問(wèn)題。

1.4 應(yīng)用

電平轉(zhuǎn)換：

看過(guò)我電路小課堂的小伙伴，結(jié)合上面的電路說(shuō)明應(yīng)該可以聯(lián)想到，OC/OD 門(mén)以前出現(xiàn)過(guò)，那就是電平轉(zhuǎn)換電路：

結(jié)合實(shí)際聊聊電平轉(zhuǎn)換電路（常用電平轉(zhuǎn)換電路總結(jié)）

截取幾張電平轉(zhuǎn)換電路圖：

線(xiàn)與邏輯

兩個(gè)或者多個(gè) 輸出端（output） 直接連接就可以實(shí)現(xiàn)與邏輯功能。

典型的場(chǎng)合我們熟悉的 I2C 總線(xiàn)就是OC/OD門(mén)，也是因?yàn)檫@種 IO 的高阻態(tài)輸出和線(xiàn)與邏輯才能讓 I2C 總線(xiàn)能夠有一個(gè)master，多個(gè)slave 。

二、開(kāi)漏/推挽輸出

講完了 OC/OD 門(mén)，那么繼續(xù)跟著節(jié)奏，說(shuō)明一下使用單片機(jī)時(shí)候 IO口設(shè)置的開(kāi)漏輸出，推挽輸出的概念。

2.1 開(kāi)漏輸出

開(kāi)漏輸出，其實(shí)就是上面說(shuō)的 OD 門(mén)，比如使用我們常用的 STM32 舉例子，STM32 IO 口結(jié)構(gòu)如下圖：

我們這里主要分析輸出，對(duì)于開(kāi)漏輸出來(lái)說(shuō)，輸出部分的 PMOS 不工作，只有 NMOS 工作，就是上面我們介紹和 OD 門(mén)一模一樣的電路。

所以開(kāi)漏輸出所有的介紹都可以直接參考上面的 OD 門(mén)電路。

這里額外提一下，對(duì)于單片機(jī)使用軟件 I2C 進(jìn)行設(shè)備通訊， IO 口模式就需要設(shè)置為開(kāi)漏輸出，通過(guò)外接上拉電阻進(jìn)行通信。

2.2 推挽輸出

推挽輸出 ：Push–pull output

百度百科說(shuō)：

推挽輸出是一種使用一對(duì)選擇性地從相連負(fù)載灌電流或者拉電流的器件的電路。

推挽電路使用兩個(gè)參數(shù)相同的三極管或MOSFET，以推挽方式存在于電路中。

電路工作時(shí)，兩只對(duì)稱(chēng)的開(kāi)關(guān)管每次只有一個(gè)導(dǎo)通，所以導(dǎo)通損耗小、效率高。

輸出既可以向負(fù)載灌電流，也可以從負(fù)載抽取電流。推拉式輸出級(jí)既提高電路的負(fù)載能力，又提高開(kāi)關(guān)速度。

這里我們簡(jiǎn)單分析一下，首先看一下標(biāo)準(zhǔn)的推挽輸出電路：

推挽輸出兩個(gè)管子始終處在一個(gè)導(dǎo)通另一個(gè)截止的狀態(tài)。

原理分析：

當(dāng) input 輸出高電平時(shí)，上面的 NPN 導(dǎo)通，下面的 PNP 截止， output 輸出高電平；

當(dāng) input 輸出低電平時(shí)，上面的 NPN 截止，下面的 PNP 導(dǎo)通， output 輸出低電平；

這里說(shuō)明一下，只從上面原理電路來(lái)分析， MOS管和三極管的高低電平是相反的：

當(dāng) input 輸出高電平時(shí)，上面的 PMOS 截止，下面的 NMOS 導(dǎo)通， output 輸出低電平；

當(dāng) input 輸出低電平時(shí)，上面的 PMOS 導(dǎo)通，下面的 NMOS 截止， output 輸出高電平；

在我們的 STM32 中，使用的是兩個(gè) MOS 的推挽方式作為 IO 口的輸出控制電路。

推挽輸出結(jié)構(gòu)的低電平輸出能力與OC/OD門(mén)是一樣的，但是高電平輸出能力比OC門(mén)或OD門(mén)強(qiáng)很多。

推挽輸出直接上拉到了電源，可以輸出很高的電流。

比如可以直接作為 三極管 的控制 IO，如下圖：

要注意，推挽輸出的兩個(gè)管腳，output 不能和 OC/OC 門(mén)的 output 一樣連接在一起，如果2個(gè)推挽輸出的IO一個(gè)設(shè)置為高電平，一個(gè)設(shè)置為低電平，這樣就等于 VCC 和 GND 短路，會(huì)燒壞 IO 口。

2.3 圖騰柱

提到開(kāi)推挽輸出，就得順帶提一下圖騰柱電路，圖騰柱其實(shí)就是上面推挽輸出的兩個(gè)三極管電路。

而且圖騰柱電路這里必須是三極管，不是2個(gè)MOS管。

電路的原理我們?cè)谏厦嫱仆燧敵龅牟糠忠呀?jīng)分析過(guò)了，現(xiàn)在來(lái)說(shuō)算是很簡(jiǎn)單了，那么一般什么情況下會(huì)使用圖騰柱電路呢？

那就得說(shuō)一下圖騰柱電路的主要作用，就是提升電流驅(qū)動(dòng)能力，迅速完成對(duì)于門(mén)極電荷的充電或者放電的過(guò)程。

前面提升電流驅(qū)動(dòng)能力好理解，但是后面一句話(huà)怎么理解？ 我們往下接著看一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路：

這里有個(gè)疑問(wèn)，我們講過(guò)MOS管是電壓驅(qū)動(dòng)器件，因?yàn)镸OS管的柵極輸入電阻極大，基本可以認(rèn)為開(kāi)路，給他施加電壓應(yīng)該基本沒(méi)有電流才對(duì)，為什么還需要圖騰柱驅(qū)動(dòng)？

而且在某些情況下為什么要用圖騰柱，一個(gè)三極管可以嗎？如下圖：

首先說(shuō)一下，上圖這種一個(gè)三極管的情況，很多情況下也是可以的，要看具體的應(yīng)用，但是圖騰柱驅(qū)動(dòng)的開(kāi)通和關(guān)斷加速效果比單個(gè)三極管要好。

那我們這里主要說(shuō)明一下，為什么 MOS 管需要圖騰柱驅(qū)動(dòng)：

還是因?yàn)榧纳?a href="http://www.brongaenegriffin.com/tags/電容/" target="_blank">電容，在我的 全面認(rèn)識(shí) MOS 管文章中著重提到過(guò)寄生電容：

如果柵極信號(hào)是脈沖，脈沖信號(hào)跳變的時(shí)候柵極的寄生電容就會(huì)充電或者放電，從而產(chǎn)生電流。

當(dāng)脈沖頻率非常高時(shí)，電容所造成的影響會(huì)非常突出，開(kāi)關(guān)電源中為了確保 MOS幾乎不在線(xiàn)性區(qū)域內(nèi)停留，需要盡最大的可能去加快柵極的跳變沿，這就使得驅(qū)動(dòng)電路必須以非常大的電流去給柵極電容充電和放電，才能確保柵極電壓以極快的速度跳變，由此所產(chǎn)生的柵極電流峰值甚至可以超過(guò)10A，這種情況下當(dāng)然首選驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)的電路來(lái)提供柵極信號(hào)。

當(dāng)然一般的應(yīng)用中，基本不會(huì)遇到此類(lèi)的情況，至少在我正常工作的產(chǎn)品上，沒(méi)有遇到過(guò)這個(gè)問(wèn)題 = =！

講圖騰柱，沒(méi)想到把 MOS 管知識(shí)復(fù)習(xí)了一遍 。

結(jié)語(yǔ)

本文我們從 OC/OD 門(mén)開(kāi)始說(shuō)起，然后引入到開(kāi)漏輸出，推挽輸出，最后再介紹了一下 圖騰柱。

都是一些基本知識(shí)，簡(jiǎn)單的總結(jié)說(shuō)明了一下，希望對(duì)大家有所幫助，后面對(duì)于電子技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)部分，會(huì)來(lái)整理一下運(yùn)放的相關(guān)內(nèi)容。

本文就到這里，謝謝大家。