各種IO輸出的類(lèi)型及如何區分-電路基礎知識-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2019-09-06
各種IO輸出的類(lèi)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(gè)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(shí)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(lái)放進(jìn)去雙路切換；實(shí)現聯(lián)動(dòng)控制系統的弱電線(xiàn)路與被控設備的強電線(xiàn)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(zhuān)線(xiàn)控制盤(pán)連接，用于控制重要消防設備（如消防泵、噴淋泵、風(fēng)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(xiàn)后工程調試前再將切換模塊插入底座。易于施工、維護；通過(guò)無(wú)源動(dòng)合接點(diǎn)或切換AC220V電壓作為回答信號。確認燈動(dòng)作燈—紅色，回答燈—綠色；動(dòng)作時(shí)，動(dòng)作燈常亮、回答燈常亮。
集電極開(kāi)路輸出的結構如圖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；左邊的三極管為反相之用，使輸入為“0”時(shí)，輸出也為“0”。對于圖 1，當左端的輸入為“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，右邊的三極管導通；當左端的輸入為“1”時(shí)，前面的三極管導通，而后面的三極管截止。
我們將圖1簡(jiǎn)化成圖2的樣子，很明顯可以看出，當開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，輸出直接接地，所以輸出電平為0。而當開(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)電阻負載到地，那么輸出端的電平就被這個(gè)負載拉到低電平了，所以這個(gè)電路是不能輸出高電平的。
圖3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)輸出的內阻是比較大的 —— 即1k，如果接一個(gè)電阻為r的負載，通過(guò)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(huà)，r就不能太小。如果r真的太小，而導致輸出電壓不夠的話(huà)，那我們只有通過(guò)減小那個(gè)1k的上拉電阻來(lái)增加驅動(dòng)能力。
但是，上拉電阻又不能取得太小，因為當開(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，當輸出低電平時(shí)，負載可能還會(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。
如果我們將一個(gè)讀數據用的輸入端接在輸出端，這樣就是一個(gè)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(gè)口帶內部上拉。當我們要使用輸入功能時(shí)，只要將輸出口設置為1即可，這樣就相當于那個(gè)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，而對于P0口來(lái)說(shuō)，就是高阻態(tài)了。
對于漏極開(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(mén)主要用于3個(gè)方面：實(shí)現與或非邏輯，用做電平轉換，用做驅動(dòng)器。
開(kāi)漏形式的電路有以下幾個(gè)特點(diǎn)：
1、利用外部電路的驅動(dòng)能力，減少I(mǎi)C內部的驅動(dòng)，或驅動(dòng)比芯片電源電壓高的負載。
2、可以將多個(gè)開(kāi)漏輸出的Pin，連接到一條線(xiàn)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(xiàn)判斷總線(xiàn)占用狀態(tài)的原理。
3、由于漏級開(kāi)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(jìn)行任意電平的轉換了。
4、源極開(kāi)路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)。因為上升沿是通過(guò)外接上拉無(wú)源電阻對負載充電，所以當電阻選擇小時(shí)延時(shí)就小，但功耗大；反之延時(shí)大功耗小。所以如果對延時(shí)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(gè)開(kāi)關(guān)，當要輸出高電平時(shí)，上面的開(kāi)關(guān)通，下面的開(kāi)關(guān)斷；而要輸出低電平時(shí)，則剛好相反。
比起OC或者OD來(lái)說(shuō)，這樣的推挽結構高、低電平驅動(dòng)能力都很強。如果兩個(gè)輸出不同電平的輸出口接在一起的話(huà)，就會(huì )產(chǎn)生很大的電流，有可能將輸出口燒壞。而上面說(shuō)的OC或OD輸出則不會(huì )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(tài)時(shí)，則兩個(gè)開(kāi)關(guān)必須同時(shí)斷開(kāi)(或者在輸出口上使用一個(gè)傳輸門(mén))，這樣可作為輸入狀態(tài)，AVR單片機的一些IO口就是這種結構。
單片機內部的邏輯經(jīng)過(guò)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(dòng)，因此在單片機的輸出端口必須有一個(gè)驅動(dòng)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(dòng)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(fā)生高低變化，c極上也不會(huì )有高低變化，因此在這種條件下必須在外部提供一個(gè)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(shí)三極管不通，c極在電阻的拉動(dòng)下為高電壓。
這種驅動(dòng)電路有個(gè)特點(diǎn)：低電壓是三極管驅動(dòng)的，高電壓是電阻驅動(dòng)的——上下不對稱(chēng)，三極管導通時(shí)的ec內阻很小，因此可以提供很大的電流，可以直接驅動(dòng)led甚至繼電器，但電阻的驅動(dòng)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(gè)電路通常用于功率放大點(diǎn)路的末級(音響)，當bb接高電壓時(shí)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(dòng)能力，當bb接低電壓時(shí)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(dòng)能力。
簡(jiǎn)單的例子，9013導通時(shí)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(gè)計算同時(shí)告訴我們采用推挽輸出時(shí)一定要小心千萬(wàn)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(dòng)三極管時(shí)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(shuō)明僅僅為了說(shuō)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(dòng)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(guò)一個(gè)電阻嵌位在高電平，電阻同時(shí)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(méi)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(kāi)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(dòng)COMS電路時(shí)，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(shí)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(mén)電路要輸出“1”時(shí)需要加上拉電阻，不加根本就沒(méi)有高電平。
（3）為加大輸出引腳的驅動(dòng)能力，有的單片機管腳上也常使用上拉電阻，但在用OC門(mén)作驅動(dòng)(例如：控制一個(gè) LED)灌電流工作時(shí)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(chǎn)生降低輸入阻抗，提供泄荷通路。
（5）提高總線(xiàn)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(cháng)線(xiàn)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(dòng)電流考慮應當足夠小；電阻小，電流大。
（3）對于高速電路，過(guò)大的上拉電阻可能邊沿變平緩。
綜合考慮以上三點(diǎn)，通常在1k到10k之間選取。對下拉電阻也有類(lèi)似道理。
高阻態(tài)時(shí)引腳對地電阻無(wú)窮，此時(shí)讀引腳電平時(shí)可以讀到真實(shí)的電平值。高阻態(tài)的重要作用就是I/O(輸入/輸出)口在輸入時(shí)讀入外部電平用。一般門(mén)與其它電路的連接，無(wú)非是兩種狀態(tài)，1或者0，在比較復雜的系統中，為了能在一條傳輸線(xiàn)上傳送不同部件的信號，研制了相應的邏輯器件稱(chēng)為三態(tài)門(mén)。
三態(tài)門(mén)，除了有這兩種狀態(tài)以外還有一個(gè)高阻態(tài)，就是高阻抗(電阻很大，相當于開(kāi)路)。相當于該門(mén)與和它連接的電路處于斷開(kāi)的狀態(tài)。三態(tài)門(mén)是一種擴展邏輯功能的輸出級，也是一種控制開(kāi)關(guān)。
主要是用于總線(xiàn)的連接，因為總線(xiàn)只允許同時(shí)只有一個(gè)使用者。通常在數據總線(xiàn)上接有多個(gè)器件，每個(gè)器件通過(guò)OE/CE之類(lèi)的信號選通。如器件沒(méi)有選通的話(huà)它就處于高阻態(tài)，相當于沒(méi)有接在總線(xiàn)上，不影響其它器件的工作。
聯(lián)系方式：鄒先生
聯(lián)系電話(huà)：0755-83888366-8022
手機：18123972950
QQ：2880195519
聯(lián)系地址：深圳市福田區車(chē)公廟天安數碼城天吉大廈CD座5C1
請搜微信公眾號:“KIA半導體”或掃一掃下圖“關(guān)注”官方微信公眾號
請“關(guān)注”官方微信公眾號:提供 MOS管 技術(shù)幫助
