各種IO輸出的類型及如何區分-電路基礎知識-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2019-09-06
各種IO輸出的類型及如何區分，I/O輸入/輸出(Input/Output)，分為IO設備和IO接口兩個部分。
在POSIX兼容的系統上，例如Linux系統，I/O操作可以有多種方式，比如DIO(Direct I/O)，AIO(Asynchronous，I/O 異步I/O)，Memory-Mapped I/O(內存映設I/O)等，不同的I/O方式有不同的實現方式和性能，在不同的應用中可以按情況選擇不同的I/O方式。
輸入輸出I/O流可以看成對字節或者包裝后的字節的讀取就是拿出來放進去雙路切換；實現聯動控制系統的弱電線路與被控設備的強電線路之間的轉接、隔離，以防止強電竄入系統，保障系統的安全；與專線控制盤連接，用于控制重要消防設備（如消防泵、噴淋泵、風機等），一只模塊可控制一臺大型消防設備的啟、停控制；
插拔式結構，可像安裝探測器一樣先將底座安裝在墻上，布線后工程調試前再將切換模塊插入底座。易于施工、維護；通過無源動合接點或切換AC220V電壓作為回答信號。確認燈動作燈—紅色，回答燈—綠色；動作時，動作燈常亮、回答燈常亮。
集電極開路輸出的結構如圖1所示，右邊的那個三極管集電極什么都不接，所以叫做集電極開路；左邊的三極管為反相之用，使輸入為“0”時，輸出也為“0”。對于圖 1，當左端的輸入為“0”時，前面的三極管截止，所以5v電源通過1k電阻加到右邊的三極管上，右邊的三極管導通；當左端的輸入為“1”時，前面的三極管導通，而后面的三極管截止。
我們將圖1簡化成圖2的樣子，很明顯可以看出，當開關閉合時，輸出直接接地，所以輸出電平為0。而當開關斷開時，則輸出端懸空了，即高阻態。這時電平狀態未知，如果后面一個電阻負載到地，那么輸出端的電平就被這個負載拉到低電平了，所以這個電路是不能輸出高電平的。
圖3中那個1k的電阻即是上拉電阻。如果開關閉合，則有電流從1k電阻及開關上流過，但由于開關閉和時電阻為0（方便我們的討論，實際情況中開關電阻不為0，另外對于三極管還存在飽和壓降），所以在開關上的電壓為0，即輸出電平為0。如果開關斷開，則由于開關電阻為無窮大（同上，不考慮實際中的漏電流），所以流過的電流為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。
但是這個輸出的內阻是比較大的 —— 即1k，如果接一個電阻為r的負載，通過分壓計算，就可以算得最后的輸出電壓為5*r/(r+1000)伏，所以，如果要達到一定的電壓的話，r就不能太小。如果r真的太小，而導致輸出電壓不夠的話，那我們只有通過減小那個1k的上拉電阻來增加驅動能力。
但是，上拉電阻又不能取得太小，因為當開關閉合時，將產生電流，由于開關能流過的電流是有限的，因此限制了上拉電阻的取值。另外還需要考慮到，當輸出低電平時，負載可能還會給提供一部分電流從開關流過，因此要綜合這些電流考慮來選擇合適的上拉電阻。
如果我們將一個讀數據用的輸入端接在輸出端，這樣就是一個IO口了，51的IO口就是這樣的結構，其中P0口內部不帶上拉，而其它三個口帶內部上拉。當我們要使用輸入功能時，只要將輸出口設置為1即可，這樣就相當于那個開關斷開，而對于P0口來說，就是高阻態了。
對于漏極開路（OD）輸出，跟集電極開路輸出是十分類似的。將上面的三極管換成場效應管即可。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。OC門主要用于3個方面：實現與或非邏輯，用做電平轉換，用做驅動器。
開漏形式的電路有以下幾個特點：
1、利用外部電路的驅動能力，減少IC內部的驅動，或驅動比芯片電源電壓高的負載。
2、可以將多個開漏輸出的Pin，連接到一條線上。通過一只上拉電阻，在不增加任何器件的情況下，形成“與邏輯”關系。這也是I2C，SMBus等總線判斷總線占用狀態的原理。
3、由于漏級開路，所以后級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。這樣就可以進行任意電平的轉換了。
4、源極開路提供了靈活的輸出方式，但是也有其弱點，就是帶來上升沿的延時。因為上升沿是通過外接上拉無源電阻對負載充電，所以當電阻選擇小時延時就小，但功耗大；反之延時大功耗小。所以如果對延時有要求，則建議用下降沿輸出。
另一種輸出結構是推挽輸出。推挽輸出的結構就是把上面的上拉電阻也換成一個開關，當要輸出高電平時，上面的開關通，下面的開關斷；而要輸出低電平時，則剛好相反。
比起OC或者OD來說，這樣的推挽結構高、低電平驅動能力都很強。如果兩個輸出不同電平的輸出口接在一起的話，就會產生很大的電流，有可能將輸出口燒壞。而上面說的OC或OD輸出則不會有這樣的情況，因為上拉電阻提供的電流比較小。如果是推挽輸出的要設置為高阻態時，則兩個開關必須同時斷開(或者在輸出口上使用一個傳輸門)，這樣可作為輸入狀態，AVR單片機的一些IO口就是這種結構。
單片機內部的邏輯經過內部的邏輯運算后需要輸出到外面，外面的器件可能需要較大的電流才能推動，因此在單片機的輸出端口必須有一個驅動電路。
1、采用一只N型三極管
其中的一種是采用一只N型三極管 —— NPN或N溝道，以NPN三極管為例，就是e接地，b接內部的邏輯運算，c引出。b受內部驅動可以控制三極管是否導通，但如果三極管的c極一直懸空，盡管b極上發生高低變化，c極上也不會有高低變化，因此在這種條件下必須在外部提供一個電阻，電阻的一端接c(引出腳)另一端接電源，這樣當三極管的b有高電壓是三極管導通，c電壓為低，當b為低電壓時三極管不通，c極在電阻的拉動下為高電壓。
這種驅動電路有個特點：低電壓是三極管驅動的，高電壓是電阻驅動的——上下不對稱，三極管導通時的ec內阻很小，因此可以提供很大的電流，可以直接驅動led甚至繼電器，但電阻的驅動是有限的，最大高電平輸出電流=(VCC-Vh)/r。
2、采用兩只晶體管
另一種是互補推挽輸出，采用兩只晶體管，一只在上一只在下，上面的一只是n型，下面為p型(以三極管為例)，兩只管子的連接為：NPN(上)的c連VCC，PNP(下)的c接地，兩只管子的ee,bb相連，其中ee作為輸出(引出腳)，bb接內部邏輯。這個電路通常用于功率放大點路的末級(音響)，當bb接高電壓時NPN管導通輸出高電壓，由于三極管的ec電阻很小，因此輸出的高電壓有很強的驅動能力，當bb接低電壓時NPN截至，PNP導通，由于三極管的ec電阻很小因此輸出的低電壓有很強的驅動能力。
簡單的例子，9013導通時ec電阻不到10歐，以Vh=2.5v，VCC=5v計算，高電平輸出電流最大=250MA，短路電流500ma，這個計算同時告訴我們采用推挽輸出時一定要小心千萬不要出現外部電路短路的可能，否則肯定燒毀芯片，特別是外部驅動三極管時別忘了在三極管的基極加限流電阻。推挽輸出電路的形式很多，有些單片機上下都采用n型管，但內部邏輯提供互補輸出，以上的說明僅僅為了說明推挽的原理，為了更深的理解可以參考功率放大電路。
上拉電阻很大，提供的驅動電流很小叫弱上拉，反之叫強上拉。
1、為什么要使用拉電阻
上拉就是將不確定的信號通過一個電阻嵌位在高電平，電阻同時起限流作用，下拉同理。上拉是對器件注入電流，下拉是輸出電流，弱強只是上拉電阻的阻值不同，沒有什么嚴格區分。
對于非OC、OD輸出型電路提升電流和電壓的能力是有限的，上拉電阻的功能主要是為集電極開路輸出型電路輸出電流通道。
2、上拉電阻的主要應用
（1）當TTL電路驅動COMS電路時，如果TTL電路輸出的高電平低于COMS電路的最低高電平(一般為3.5V)，這時就需要在TTL的輸出端接上拉電阻，以提高輸出高電平的值。
（2）OC門電路要輸出“1”時需要加上拉電阻，不加根本就沒有高電平。
（3）為加大輸出引腳的驅動能力，有的單片機管腳上也常使用上拉電阻，但在用OC門作驅動(例如：控制一個 LED)灌電流工作時就可以不加上拉電阻。
（4）在COMS芯片上，為了防止靜電造成損壞，不用的管腳不能懸空，一般接上拉電阻產生降低輸入阻抗，提供泄荷通路。
（5）提高總線的抗電磁干擾能力。管腳懸空就比較容易接受外界的電磁干擾。
（6）長線傳輸中電阻不匹配容易引起反射波干擾，加上下拉電阻是電阻匹配，有效的抑制反射波干擾。
3、上拉電阻阻值的選擇原則包括
（1）從節約功耗及芯片的灌電流能力考慮應當足夠大；電阻大，電流小。
（2）從確保足夠的驅動電流考慮應當足夠小；電阻小，電流大。
（3）對于高速電路，過大的上拉電阻可能邊沿變平緩。
綜合考慮以上三點，通常在1k到10k之間選取。對下拉電阻也有類似道理。
高阻態時引腳對地電阻無窮，此時讀引腳電平時可以讀到真實的電平值。高阻態的重要作用就是I/O(輸入/輸出)口在輸入時讀入外部電平用。一般門與其它電路的連接，無非是兩種狀態，1或者0，在比較復雜的系統中，為了能在一條傳輸線上傳送不同部件的信號，研制了相應的邏輯器件稱為三態門。
三態門，除了有這兩種狀態以外還有一個高阻態，就是高阻抗(電阻很大，相當于開路)。相當于該門與和它連接的電路處于斷開的狀態。三態門是一種擴展邏輯功能的輸出級，也是一種控制開關。
主要是用于總線的連接，因為總線只允許同時只有一個使用者。通常在數據總線上接有多個器件，每個器件通過OE/CE之類的信號選通。如器件沒有選通的話它就處于高阻態，相當于沒有接在總線上，不影響其它器件的工作。
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