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集电极开路与漏极开路输出的原理与应用
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更新于2024-09-15
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本文档主要介绍了集电极开路(OC门)和漏极开路(OD门)两种基本的逻辑门输出方式,它们在电子电路设计中有着广泛应用。首先,集电极开路输出结构中,如图1所示,通过两个串联的三极管,左侧作为反相器确保输入为0时输出也为0。当输入为1时,前级三极管导通,后级截止,形成高阻态,导致输出电压取决于后接负载,可能会被拉低。上拉电阻的作用在此显得尤为重要,它在开关断开时提供5V高电平,但需注意选择合适的电阻值以平衡驱动能力和负载需求。 图3中的1k电阻作为上拉电阻,其作用是在开关闭合时提供0V输出,断开时输出5V。然而,上拉电阻的选取不能过大,以免电流过大影响开关工作,也不能过小,以防止输出电压不足。在实际应用中,根据负载电阻r,可以通过分压原理计算出合适的输出电压。 漏极开路输出(OD门)与集电极开路类似,但输出端没有内置的上拉或下拉电路,这使得它更适合驱动无源负载,如传感器或LED等。当需要使用输入功能时,集电极开路或漏极开路的IO口可以通过设置输出为高阻态来切换到输入模式,如在51单片机的P0口,部分IO口内部不带有上拉电阻。 理解和掌握上拉下拉推挽式结构对于正确设计和使用数字电路至关重要,它不仅涉及到电路的逻辑控制,还涉及信号驱动能力、电源管理以及负载兼容性等方面。在实际设计中,根据具体应用需求,选择合适的输出模式和电阻值,能够确保电路的稳定性和性能。
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我们先来说说集电极开路输出的结构。
集电极开路输出的结构如图 1 所示,右边的那个三极管集电极什么都不接,所以叫做集电极开路(左边的三极管为反相
之用,使输入为“0”时,输出也为“0”)。对于图 1,当左端的输入为“0”时,前面的三极管截止(即集电极 c 跟发射极 e 之间相当
于断开),所以 5v 电源通过 1k 电阻加到右边的三极管上,右边的三极管导通(即相当于一个开关闭合);当左端的输入为“ 1”
时,前面的三极管导通,而后面的三极管截止(相当于开关断开)。
我们将图 1 简化成图 2 的样子。图 2 中的开关受软件控制,“1”时断开,“0”时闭合。很明显可以看出,当开关闭合时,输
出直接接地,所以输出电平为 0。而当开关断开时,则输出端悬空了,即高阻态。这时电平状态未知,如果后面一个电阻负载
(即使很轻的负载)到地,那么输出端的电平就被这个负载拉到低电平了,所以这个电路是不能输出高电平的。
再看图三。图三中那个 1k 的电阻即是上拉电阻。如果开关闭合,则有电流从 1k 电阻及开关上流过,但由于开关闭和时
电阻为 0(方便我们的讨论,实际情况中开关电阻不为 0,另外对于三极管还存在饱和压降),所以在开关上的电压为 0,即输
出电平为 0。如果开关断开,则由于开关电阻为无穷大(同上,不考虑实际中的漏电流),所以流过的电流为 0,因此在 1k 电
阻上的压降也为 0,所以输出端的电压就是 5v 了,这样就能输出高电平了。但是这个输出的内阻是比较大的(即 1kω),如果
接一个电阻为 r 的负载,通过分压计算,就可以算得最后的输出电压为 5*r/(r+1000)伏,即 5/(1+1000/r)伏。所以,如果要达到
一定的电压的话,r 就不能太小。如果 r 真的太小,而导致输出电压不够的话,那我们只有通过减小那个 1k 的上拉电阻来增加
驱动能力。但是,上拉电阻又不能取得太小,因为当开关闭合时,将产生电流,由于开关能流过的电流是有限的,因此限制了
上拉电阻的取值,另外还需要考虑到,当输出低电平时,负载可能还会给提供一部分电流从开关流过,因此要综合这些电流考
虑来选择合适的上拉电阻。
如果我们将一个读数据用的输入端接在输出端,这样就是一个 io 口了(51 的 io 口就是这样的结构,其中 p0 口内部不带
上拉,而其它三个口带内部上拉),当我们要使用输入功能时,只要将输出口设置为 1 即可,这样就相当于那个开关断开,而
对于 p0 口来说,就是高阻态了。
对于漏极开路(od)输出,跟集电极开路输出是十分类似的。将上面的三极管换成场效应管即可。这样集电极就变成了
漏极,oc 就变成了 od,原理分析是一样的。
另一种输出结构是推挽输出。推挽输出的结构就是把上面的上拉电阻也换成一个开关,当要输出高电平时,上面的开关
通,下面的开关断;而要输出低电平时,则刚好相反。比起 oc 或者 od 来说,这样的推挽结构高、低电平驱动能力都很强。如
果两个输出不同电平的输出口接在一起的话,就会产生很大的电流,有可能将输出口烧坏。而上面说的 oc 或 od 输出则不会有
这样的情况,因为上拉电阻提供的电流比较小。如果是推挽输出的要设置为高阻态时,则两个开关必须同时断开(或者在输出
口上使用一个传输门),这样可作为输入状态,avr 单片机的一些 io 口就是这种结构。
在数字电路中不用的输入脚都要接固定电平,通过 1k 电阻接高电平或接地。
1. 电阻作用:
l 接电组就是为了防止输入端悬空
l 减弱外部电流对芯片产生的干扰
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