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開漏輸出和開集輸出的原理、特點和套用

2024-01-31科學

開漏(open-drain)或開集電極(open-collector)輸出引腳由單個晶體管驅動,將引腳拉到只有一個電壓(通常是接地)。當輸出裝置關閉時,引腳被懸空(開啟,或高阻態)。

一個常見的例子是n溝道晶體管,當晶體管導通時,將訊號拉向地,或者當晶體管關斷時,將訊號保持開路。

開漏指的是在場效應晶體管技術中實作的這種電路,因為晶體管的漏極埠連線到輸出端;開集指的是雙極晶體管的集電極連線到輸出。

當晶體管關斷時,訊號可以被另一個裝置驅動,或者可以透過電阻上拉或下拉。電阻可防止未定義的漂浮狀態(高阻態)。

什麽是開集輸出

Open collector(開集)是一種電路輸出結構,它允許多個輸出裝置共享一個電路線。在Open collector電路中,輸出器件可以將輸出線拉低(接地),但不能將其拉高。因此,當輸出器件拉低時,輸出線將被拉低,而當輸出器件不拉低時,輸出線將由上拉電阻上拉到高電平。這種結構通常用於數位電路和匯流排系統中。

集電極開路輸出透過內部雙極結型晶體管 (BJT) 的基極處理 IC 的輸出,該晶體管的集電極暴露為外部輸出引腳。

對於 NPN 開路集電極輸出,NPN 晶體管的發射極在內部接地, 因此 NPN 開路集電極在內部形成短路(技術上低阻抗或「低 Z」)連線到晶體管導通時的低電壓(可能接地),或晶體管關閉時的開路(技術上高阻抗或「hi-Z」)。輸出通常連線到外部上拉電阻,當晶體管關閉時,該電阻將輸出電壓拉至電阻的電源電壓。

對於NPN開漏輸出,NPN晶體管的發射極內部連線到地,因此當晶體管開啟時,NPN開漏內部形成短路(技術上是低阻抗或「低-Z」)連線到低電壓(可能是地線),或者當晶體管關閉時形成開路(技術上是高阻抗或「高-Z」)。輸出通常連線到外部上拉電阻,當晶體管關閉時,上拉電阻將輸出電壓拉到電阻的供電電壓。

對於 PNP 集電極開路輸出,PNP 晶體管的發射極在內部連線到正電壓軌,因此集電極在晶體管導通時輸出高電壓,在晶體管截止時輸出高阻態。這有時稱為「集電極開路,驅動高」。

什麽是開漏輸出

開漏輸出(Open drain)是一種電路設計中常見的輸出模式,它允許多個裝置共享同一輸出線。在這種模式下,輸出埠可以被拉低以接地,但不能被拉高。這種設計可以用於連線到其他裝置的輸入埠,以便它們可以透過外部上拉電阻來拉高輸出埠。

上圖中的 Drain 是漏極,Source 是源極。

開漏輸出使用 MOS 晶體管 (MOSFET) 代替 BJT,並將 MOSFET 的漏極暴露為輸出。

如果沒有外部上拉電阻,當高電壓施加到 MOSFET 柵極時,nMOS 開漏輸出接地,OK 沒問題。但是,當低電壓施加到柵極時呈現高阻抗。由於 MOSFET 不導通,該高阻抗狀態下的電壓將是浮動的(未定義),這就是為什麽 nMOS 開漏輸出需要一個連線到正電壓軌的上拉電阻器以產生高輸出電壓。

使用 nMOS 開漏輸出的 MOS 管可能會提供「弱」(高電阻,通常約為 100 kΩ)內部上拉電阻,以將相關引腳連線到器件的正電源,因此它們的輸出電壓不會漂浮。這種弱上拉電阻由於其較低的 V²/R 而降低了功耗,並且可能避免對外部上拉的需要。外部上拉可能會「更強」(較低的電阻,也許 3 kΩ),以減少訊號上升時間(如 I²C)或最大限度地減少雜訊(如系統 RESET 輸入)。

現代微控制器可能允許對特定輸出引腳進行編程,以使用開漏輸出而不是推挽輸出、內部上拉的強度,並允許在不需要時禁用內部上拉。

對於 pMOS 開漏極,當晶體管導通時,輸出連線到正電源軌,而當晶體管關斷時,輸出為高阻抗。這有時稱為「開漏,驅動高」。

套用

開漏輸出和開集輸出是兩種常用的電路輸出模式,它們的區別在於使用的器件不同,開漏輸出使用MOS管,開集輸出使用三極管。這兩種輸出模式的共同特點是高電平時輸出高阻,需要借助外部上拉電阻才能輸出高電平。這樣可以實作以下幾個方面的套用:

  • 電平轉換:由於輸出電平由上拉電阻連線的電源電平決定,所以可以很方便地實作不同電平之間的轉換,例如從3.3V轉換到5V,或者從5V轉換到12V等。
  • 線與功能:由於多個開漏輸出或開集輸出可以直接連線在一起,形成一個匯流排,所以可以實作線與功能,即只有當所有訊號全部為高電平時,匯流排為高電平;只要有任意一個或者多個訊號為低電平,則匯流排為低電平。這樣可以實作訊號的邏輯運算和同步控制,例如在I2C匯流排中,就使用了開漏輸出來實作線與功能。
  • 電流放大:由於開漏輸出或開集輸出的輸出電流由上拉電阻的大小決定,所以可以透過調節上拉電阻的阻值來實作電流的放大,例如在LED驅動中,就可以使用開漏輸出或開集輸出來提供較大的電流。
  • 當然,開漏輸出和開集輸出也有一些缺點,例如:

  • 輸出速度慢:由於輸出高電平時需要透過上拉電阻充電,而上拉電阻的阻值不能太小,否則會造成過大的功耗,所以輸出高電平的速度會受到限制,不能達到很高的頻率。
  • 功耗大:由於輸出低電平時需要透過上拉電阻放電,而上拉電阻的阻值不能太大,否則會影響輸出電平的穩定性,所以輸出低電平時會有較大的功耗,不能實作低功耗的設計。
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