推挽/开漏输出模式 & 上拉/下拉电阻 & 三极管的工作原理

JianweiXi
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推挽/开漏输出模式

  1. GPIO有三种输出状态（高电平/低电平/高阻态[浮空]），有两种常见工作输出模式（推挽/开漏输出） -- 工科男孙老师 【Bilibili】

    先了解原理部分：在芯片手册中，可以看到GPIO部分的结构图： image.png

image.png

1.保护二极管：  
IO引脚上下两边两个二极管用于防止引脚外部过高、过低的电压输入，当引脚电压高于VDD_FT时，上方的二极管导通，当引脚电压低于VSS时，下方的二极管导通，防止不正常电压引入芯片导致芯片烧毁 

2.上拉、下拉电阻：
控制引脚默认状态的电压，开启上拉的时候引脚默认电压为高电平，开启下拉的时候引脚默认电压为低电平

3.输出模式：
推挽输出模式下，P-MOS和N-MOS都正常工作，开漏输出模式下，只有下面的N-MOS工作，上面的P-MOS不工作。
3.1推挽输出模式：
输出寄存器为0时，经过输出控制模块，转为1，此时N-MOS打开，P-MOS关闭，IO输出低
输出寄存器为1时，经过输出控制模块，转为0，此时N-MOS关闭，P-MOS打开，IO为VDD
3.2开漏输出模式：
输出寄存器为0时，经过输出控制模块，转为1，此时N-MOS打开，IO输出低
输出寄存器为1时，经过输出控制模块，转为0，此时N-MOS关闭，IO为高阻态
PMOS（漏极D接VCC）NMOS（源极S接GND）GPIO输出状态GPIO输出模式
打开关闭高电平推挽模式 - 把电流推出去，电流的一个动作。
关闭打开低电平推挽模式 - 把电流挽回来，电流的一个动作；开漏模式 - 需要有上拉，输出低电平，避免VCC直接对地短路。
关闭关闭浮空/高阻态开漏模式 - 外部通常会配一颗上拉电阻，将不确定的信号钳位在高电平。
打开打开不存在这种情况（MOS管总会烧坏一个）
1.GPIO mode： 推挽输出和开漏输出选择 
两者模式的区别在于：推挽输出中1代表VCC，0表示GND；开漏输出中1代表高阻态，0代表GND。 
简单总结是，如果需要不等同于VCC的输出电压，或者是线与功能（I2C、SMBUS类总线占用原理），则选择开漏输出，其它一律选择推挽输出。
1.1当开漏输出为1，IO处于高阻态，IO电压由外部上拉决定，我们可以在外部接一个上拉电阻，上拉电源为5V，实现IO控制5V输出的效果。
1.2若有很多个开漏模式引脚连接到一起时，只有当所有引脚都输出高阻态，才由上拉电阻提供高电平。若其中一个引脚为低电平，那线路就相当于都接地，使得整条线路都为低电平。这也是I2C，SMBus等总线判断总线占用状态的原理。 

2.GPIO Pull-up/Pull-down：GPIO上下拉设置 
2.1当GPIO被配置为推挽输出时，上下拉可以控制输出电平的稳定性。 
2.2当GPIO被配置为开漏输出时，上下拉可以控制输出电平的状态。在没有上下拉的情况下，开漏输出的GPIO会处于高阻态，输出电平由外部上下拉决定。通过配置上拉电阻可以使GPIO处于高电平状态，通过配置下拉电阻可以使GPIO处于低电平状态。
  1. 单片机怎么输出高电平！推挽输出和开漏输出最本质的区别？ -- 爱上半导体 【Bilibili】

上拉/下拉电阻

  1. 单片机的上拉电阻，到底在拉什么？ -- 工科男孙老师 【Bilibili】
    • 上拉电阻通常都会伴随一颗MOS管或者开关的出现而出现。
    • 使用场景： 开漏输出模式下的GPIO口。
      • 当输出低电平时，VCC会对地短路，所以需要上拉。
      • 当输出高阻态【浮空状态】时，需要上拉将输出钳位在高电平。
    • 上拉的阻值大小1K、4.7K、10K、100K如何选择？
      • 阻值小，驱动能力强，漏电流大。
      • 阻值大，驱动能力弱，漏电流小。
  2. 上拉电阻的通俗解释，你真正知道吗？ -- 爱上半导体 【Bilibili】
    • 可以将不确定的信号钳位在高电平。
  3. 下拉电阻的通俗解释，你真正知道吗？ -- 爱上半导体 【Bilibili】
    • 可以将不确定的信号钳位在低电平。
    • 作为芯片输入电路，可以将信号在高低电平之间进行切换。
      • 例子：开关接VCC，下拉电阻接GND，开关断开默认低电平，开关打开高电平。

三极管

NPN和PNP的电流方向 、大小关系 、电压偏置的区别： blog.csdn.net/chenhuanqia…

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以NPN三极管为例

NPN导通条件： blog.csdn.net/weixin_4215…

  1. 三极管是如何导电？超形象动画让你一看就懂！ -- 爱上半导体 【Bilibili】

    • N： 集电区（c），Ice = β * Ibe。
    • P： 基区（b）做的很薄，为了能让发射区电子更容易进入集电区，形成集电极电流；基区空穴参杂浓度很低，为了形成更小的基极电流。这样才能使更多的电子流入集电区。
    • N： 发射区（e）电子参杂浓度很高，使电子更易于流入基区以及集电区，Ie = Ibe + Ice = （1 + β）Ibe。

  2. 三极管的截止、放大与饱和状态。 -- 爱上半导体 【Bilibili】

    伴随着Vcc的加大，ic与Vce的关系，体现了三极管从饱和到放大再到击穿的一个过程。

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    • 三极管开关： 运用的就是它的截止与饱和状态。
      • 截止状态： Vbe < 0，Vbc < 0，三极管处于截止状态。
      • 饱和状态： Vbe > 0，Vbc > 0，三极管处于饱和状态。
    • 放大状态： Vbe > 0，Vbc < 0，且满足Vc > Vb > Ve，三极管处于放大状态。典型应用，音频的放大。

    image.png

以PNP三极管为例

  1. 截止状态： Vbe > 0，Vbc > 0，三极管处于截止状态。
  2. 饱和状态： Vbe < 0，Vbc < 0，三极管处于饱和状态。
  3. 放大状态： Vbe < 0，Vbc > 0，且满足Vc < Vb < Ve，三极管处于放大状态。

应用

  1. 对于模拟电路而言，三极管大多工作在放大状态，作为放大管使用。
  2. 对于数字电路而言，三极管大多工作在截止或饱和区，作为开关管使用。
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