Open-Drain開(kāi)漏輸出和Push-Pull推挽輸出的優(yōu)勢(shì)

GPIO的功能，簡(jiǎn)單說(shuō)就是可以根據(jù)自己的需要去配置為輸入或輸出。但是在配置GPIO管腳的時(shí)候，常會(huì)見(jiàn)到兩種模式：開(kāi)漏(open-drain，漏極開(kāi)路)和推挽(push-pull)。

Push-Pull推挽輸出

輸出的器件是指輸出腳內(nèi)部集成有一對(duì)互補(bǔ)的MOSFET，當(dāng)Q1導(dǎo)通、Q2截止時(shí)輸出高電平;而當(dāng)Q1截止導(dǎo)通、Q2導(dǎo)通時(shí)輸出低電平。

Push-pull輸出，實(shí)際上內(nèi)部是用了兩個(gè)晶體管(transistor)，此處分別稱為top transistor和bottom transistor。通過(guò)開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)的晶體管，輸出對(duì)應(yīng)的電平。top transistor打開(kāi)(bottom transistor關(guān)閉)，輸出為高電平;bottom transistor打開(kāi)(top transistor關(guān)閉)，輸出低電平。Push-pull即能夠漏電流(sink current)，又可以集電流(source current)。其也許有，也許沒(méi)有另外一個(gè)狀態(tài)：高阻抗(high impedance)狀態(tài)。除非Push-pull需要支持額外的高阻抗?fàn)顟B(tài)，否則不需要額外的上拉電阻。

Open-Drain開(kāi)漏輸出

開(kāi)漏電路就是指以MOSFET的漏極為輸出的電路。指內(nèi)部輸出和地之間有個(gè)N溝道的MOSFET(Q1)，這些器件可以用于電平轉(zhuǎn)換的應(yīng)用。輸出電壓由Vcc'決定。Vcc'可以大于輸入高電平電壓VCC(up-translate)也可以低于輸入高電平電壓VCC(down-translate)。

Open-drain輸出，則是比push-pull少了個(gè)top transistor，只有那個(gè)bottom transistor。(就像push-pull中的那樣)當(dāng)bottom transistor關(guān)閉，則輸出為高電平。此處沒(méi)法輸出高電平，想要輸出高電平，必須外部再接一個(gè)上拉電阻(pull-up resistor)。Open-drain只能夠漏電流(sink current)，如果想要集電流(source current)，則需要加一個(gè)上拉電阻。

老外的理解

常見(jiàn)的GPIO的模式可以配置為open-drain或push-pull，具體實(shí)現(xiàn)上，常為通過(guò)配置對(duì)應(yīng)的寄存器的某些位來(lái)配置為open-drain或是push-pull。當(dāng)我們通過(guò)CPU去設(shè)置那些GPIO的配置寄存器的某位(bit)的時(shí)候，其GPIO硬件IC內(nèi)部的實(shí)現(xiàn)是，會(huì)去打開(kāi)或關(guān)閉對(duì)應(yīng)的top transistor。相應(yīng)地，如果設(shè)置為了open-d模式的話，是需要上拉電阻才能實(shí)現(xiàn)，也能夠輸出高電平的。因此，如果硬件內(nèi)部(internal)本身包含了對(duì)應(yīng)的上拉電阻的話，此時(shí)會(huì)去關(guān)閉或打開(kāi)對(duì)應(yīng)的上拉電阻。如果GPIO硬件IC內(nèi)部沒(méi)有對(duì)應(yīng)的上拉電阻的話，那么你的硬件電路中，必須自己提供對(duì)應(yīng)的外部(external)的上拉電阻。而push-pull輸出的優(yōu)勢(shì)是速度快，因?yàn)榫€路(line)是以兩種方式驅(qū)動(dòng)的。而帶了上拉電阻的線路，即使以最快的速度去提升電壓，最快也要一個(gè)常量的R×C的時(shí)間。其中R是電阻，C是寄生電容(parasitic capacitance)，包括了pin腳的電容和板子的電容。但是，push-pull相對(duì)的缺點(diǎn)是往往需要消耗更多的電流，即功耗相對(duì)大。而open-drain所消耗的電流相對(duì)較小，由電阻R所限制，而R不能太小，因?yàn)楫?dāng)輸出為低電平的時(shí)候，需要sink更低的transistor，這意味著更高的功耗。(此段原文：because the lower transistor has to sink that current when the output is low; that means higher power consumption.)而open-drain的好處之一是，允許你cshort(?)多個(gè)open-drain的電路，公用一個(gè)上拉電阻，此種做法稱為wired-OR連接，此時(shí)可以通過(guò)拉低任何一個(gè)IO的pin腳使得輸出為低電平。為了輸出高電平，則所有的都輸出高電平。此種邏輯，就是“線與”的功能，可以不需要額外的門(mén)(gate)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)此部分邏輯。

圖表 4 open-drain“線與”功能

優(yōu)點(diǎn)

Push-Pull推挽輸出

(1)可以吸電流，也可以貫電流;

(2)和開(kāi)漏輸出相比，push-pull的高低電平由IC的電源低定，不能簡(jiǎn)單的做邏輯操作等。

Open-Drain開(kāi)漏輸出

(1)對(duì)于各種電壓節(jié)點(diǎn)間的電平轉(zhuǎn)換非常有用，可以用于各種電壓節(jié)點(diǎn)的Up-translate和down-translate轉(zhuǎn)換

(2)可以將多個(gè)開(kāi)漏輸出的Pin腳，連接到一條線上，形成“與邏輯”關(guān)系,即“線與”功能，任意一個(gè)變低后，開(kāi)漏線上的邏輯就為0了。這也是I2C，SMBus等總線判斷總線占用狀態(tài)的原理。

(3)利用 外部電路的驅(qū)動(dòng)能力，減少I(mǎi)C內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)。當(dāng)IC內(nèi)部MOSFET導(dǎo)通時(shí)，驅(qū)動(dòng)電流是從外部的VCC流經(jīng)R pull-up ，MOSFET到GND。IC內(nèi)部?jī)H需很下的柵極驅(qū)動(dòng)電流。

(4)可以利用改變上拉電源的電壓，改變傳輸電平：圖表 5 open-drain輸出電平的原理，IC的邏輯電平由電源Vcc1決定，而輸出高電平則由Vcc2決定。這樣我們就可以用低電平邏輯控制輸出高電平邏輯了。

缺點(diǎn)

Push-Pull推挽輸出

一條總線上只能有一個(gè)push-pull輸出的器件;

在CMOS電路里面應(yīng)該叫CMOS輸出更合適，因?yàn)樵贑MOS里面的push-pull輸出能力不可能做得雙極那么大。輸出能力看IC內(nèi)部輸出極N管P管的面積。push-pull是現(xiàn)在CMOS電路里面用得最多的輸出級(jí)設(shè)計(jì)方式

Open-Drain開(kāi)漏輸出

開(kāi)漏Pin不連接外部的上拉電阻，則只能輸出低電平。當(dāng)輸出電平為低時(shí)，N溝道三極管是導(dǎo)通的，這樣在Vcc'和GND之間有一個(gè)持續(xù)的電流流過(guò)上拉電阻R和三極管Q1。這會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的功耗。采用較大值的上拉電阻可以減小電流。但是，但是大的阻值會(huì)使輸出信號(hào)的上升時(shí)間變慢。即上拉電阻R pull-up的阻值 決定了邏輯電平轉(zhuǎn)換的沿的速度。阻值越大，速度越低功耗越小。反之亦然。