集電極開路輸出結構原理分析

集電極開路輸出的結構如圖1(圖1圖2圖3附在文章末尾處)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(即集電極C跟發射極E之間相當于斷開),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(即相當于一個開關閉合);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(相當于開關斷開)。我們將圖1簡化成圖2的樣子。圖2中的開關受軟件控制,“1”時斷開,“0”時閉合。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(即使很輕的負載)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。再看圖三。圖三中那個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1KΩ),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,即5/(1+1000/R)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。 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。

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