Open-Drain&Push-Pull

在配置GPIO(General Purpose Input Output)管脚的时候,常会见到两种模式:开漏(open-drain,漏极开路)和推挽(push-pull)。对此两种模式,有何区别和联系,下面整理了一些资料,来详细解释一下:

一、Push-Pull推挽输出

1、原理

输出的器件是指输出脚内部集成有一对互补的MOSFET:

  当Q1导通、Q2截止时输出高电平;

  而当Q1截止导通、Q2导通时输出低电平。

Push-Pull输出,实际上内部是用了两个晶体管(transistor):

  此处分别称为Top-Transistor和Bottom-Transistor。

通过开关对应的晶体管,输出对应的电平:

  Top-Transistor打开,Bottom-Transistor关闭,输出为高电平;

  Bottom-Transistor打开,Top-Transistor关闭,输出低电平。

Push-pull即能够漏电流(sink current),又可以集电流(source current)。

其也许有,也许没有另外一个状态:高阻抗(high impedance)状态。

除非Push-pull需要支持额外的高阻抗状态,否则不需要额外的上拉电阻。

2、优点

(1)可以吸电流,也可以贯电流;

(2)push-pull输出的优势是速度快,因为线路是以两种方式驱动的;

(3)和开漏输出相比,push-pull的高低电平由IC的电源决定,不能简单的做逻辑操作等。

3、缺点

(1)一条总线上只能有一个push-pull输出的器件;

(2)push-pull往往需要消耗更多的电流,即功耗相对大。

二、Open-Drain开漏输出

1、原理

开漏电路是指以MOSFET的漏极为输出的电路,

在内部输出和地之间有个N沟道的MOSFET(Q1),这些器件可以用于电平转换的应用。输出电压由Vcc决定。

  Vcc可以大于输入高电平电压VCC (call UP-Translate),

  也可以低于输入高电平电压VCC(call Down-Translate),

Open-Drain比push-pull少了个top transistor,只有bottom transistor。

就像push-pull中那样,当bottom transistor关闭,则输出为高电平,但此处没法输出高电平。

想要输出高电平,必须外部再接一个上拉电阻(pull-up resistor)。

Open-drain只能够漏电流(sink current),如果想要集电流(source current),则需要加一个上拉电阻。

2、优点

(1)对于各种电压节点间的电平转换非常有用,可以用于各种电压节点的Up-translate和Down-translate转换

(2)可以将多个开漏输出的Pin脚,连接到一条线上,形成“与逻辑”关系,即“线与”功能,任意一个变低后,开漏线上的逻辑就为0了。这也是I2C,SMBus等总线判断总线占用状态的原理。

(3)利用外部电路的驱动能力,减少IC内部的驱动。当IC内部MOSFET导通时,驱动电流是从外部的VCC流经pull-up resistor,MOSFET到GND。IC内部仅需很小的栅极驱动电流。

(4)可以改变上拉电源的电压,改变传输电平,如图所示,IC的逻辑电平由电源Vcc1决定,而输出高电平则由Vcc2决定。这样我们就可以用低电平逻辑控制输出高电平逻辑了。

            OD输出电平的原理

3、缺点

(1)开漏Pin不连接外部的上拉电阻,则只能输出低电平,如果要输出高电平,必需加上拉电阻。

(2)带了上拉电阻的线路,即使以最快的速度去提升电压,最快也要一个常量的R×C的时间。其中R是电阻,C是寄生电容(parasitic capacitance),包括了pin脚的电容和板子的电容。

(3)当输出电平为低时,N沟道三极管是导通的,这样在Vcc和GND之间有一个持续的电流流过上拉电阻R和三极管Q1,这会影响整个系统的功耗。采用较大值的上拉电阻可以减小电流。但是大的阻值会使输出信号的上升时间变慢,即上拉电阻的阻值决定了逻辑电平转换的沿的速度。阻值越大,速度越低功耗越小,反之亦然。但上拉电阻不能太小,因为当输出为低电平的时候,需要sink更低的transistor,这意味着更高的功耗。

三、open-drain和push-pull的总结

对于GPIO的模式的设置,在不考虑是否需要额外的上拉电阻的情况下,是设置为open-drain还是push-pull?

说到底,还是个权衡的问题:

如果你想要电平转换速度快的话,那么就选push-pull,但是缺点是功耗相对会大些。

  如果你想要功耗低,且同时具有“线与”的功能,那么就用open-drain的模式。

(同时注意GPIO硬件模块内部是否有上拉电阻,如果没有,需要硬件电路上添加额外的上拉电阻)

正所谓,转换速度与功耗,是鱼与熊掌,二则不可兼得焉。

本文参与腾讯云自媒体分享计划,欢迎正在阅读的你也加入,一起分享。

发表于

我来说两句

0 条评论
登录 后参与评论

相关文章

来自专栏女程序员的日常

ECC检验与纠错

引入ECC   ECC:Error Checking and Correction,是一种差错检测和修正的算法。   NAND闪存在生产和使用中都会有坏块产生,...

2281
来自专栏ml

hdu-----(4857)逃生(拓扑排序)

逃生 Time Limit: 2000/1000 MS (Java/Others)    Memory Limit: 32768/32768 K (Java/O...

2715
来自专栏C语言及其他语言

【优秀题解】一道题目的递归与非递归两种解法

下面分享大牛一道题的两种(递归+非递归)的解法,供大家学习!也欢迎贡献你的题解! 原题链接:发工资咯 http://www.dotcpp.com/oj/pro...

2798
来自专栏ml

HDUOJ----1234 开门人和关门人(浙江大学考研题)

开门人和关门人 Time Limit: 2000/1000 MS (Java/Others)    Memory Limit: 65536/32768 K (J...

2595
来自专栏王磊的博客

javascript数字格式化通用类——accounting.js使用

简介 accounting.js 是一个非常小的JavaScript方法库用于对数字,金额和货币进行格式化。并提供可选的Excel风格列渲染。它没有依赖任何JS...

2646
来自专栏华仔的技术笔记

Spectrum光谱链共识算法的分析

Spectrum(光谱链)是SmartMesh生态下的公链,承载去中心化Mesh网络实现万物互联dapp的底层公链。由Payment Channel的建构的Sm...

443
来自专栏小工匠技术圈

【小工匠聊密码学】--消息摘要--SHA3算法

1243
来自专栏拭心的安卓进阶之路

Java 集合深入理解(7):ArrayList

今天心情有点美丽,学学 ArrayList 放松下吧! 什么是 ArrayList ? ? ArrayList 是 Java 集合框架中 List接口 的一个实...

1907
来自专栏zaking's

RFC2616-HTTP1.1-Header Field Definitions(头字段规定部分—单词注释版)

1022
来自专栏java闲聊

JDK1.8 ArrayList 源码解析

当运行 ArrayList<Integer> list = new ArrayList<>() ; ,因为它没有指定初始容量,所以它调用的是它的无参构造

1092

扫码关注云+社区