1.1.1 接口相關(guān)電路及概念

1. 集電極開路輸出

在電路中常會(huì)遇到漏極開路（Open Drain）和集電極開路（Open Collector）兩種情形。漏極開路電路概念中提到的“漏”是指 MOSFET的漏極。同理，集電極開路電路中的“集”就是指三極管的集電極。在數(shù)字電路中，分別簡稱OD門和OC門。

典型的集電極開路電路如圖所示。電路中右側(cè)的三極管集電極什么都不接，所以叫做集電極開路，左側(cè)的三極管用于反相作用，即左側(cè)輸入“0”時(shí)左側(cè)三極管截止，VCC通過電阻加到右側(cè)三極管基極，右側(cè)三極管導(dǎo)通，右側(cè)輸出端連接到地，輸出“0”。

從圖中電路可以看出集電極開路是無法輸出高電平的，如果要想輸出高電平可以在輸出端加上上拉電阻。因此集電極開路輸出可以用做電平轉(zhuǎn)換，通過上拉電阻上拉至不同的電壓，來實(shí)現(xiàn)不同的電平轉(zhuǎn)換。

用做驅(qū)動(dòng)器。由于OC門電路的輸出管的集電極懸空，使用時(shí)需外接一個(gè)上拉電阻Rp到電源VCC。OC門使用上拉電阻以輸出高電平，此外為了加大輸出引腳的驅(qū)動(dòng)能力，上拉電阻阻值的選擇原則，從降低功耗及芯片的灌電流能力考慮應(yīng)當(dāng)足夠大；從確保足夠的驅(qū)動(dòng)電流考慮應(yīng)當(dāng)足夠小。

將OC門輸出連在一起時(shí)，再通過一個(gè)電阻接外電源，可以實(shí)現(xiàn)“線與”邏輯關(guān)系。只要電阻的阻值和外電源電壓的數(shù)值選擇得當(dāng)，就能做到既保證輸出的高、低電平符合要求，而且輸出三極管的負(fù)載電流又不至于過大。

集電極開路輸出除了可以實(shí)現(xiàn)多門的線與邏輯關(guān)系外，通過使用大功率的三極管還可用于直接驅(qū)動(dòng)較大電流的負(fù)載，如繼電器、脈沖變壓器、指示燈等。

2. 漏極開路輸出

和集電極開路一樣，顧名思義，開漏電路就是指從MOSFET的漏極輸出的電路。典型的用法是在漏極外部的電路添加上拉電阻到電源如圖所示。完整的開漏電路應(yīng)由開漏器件和開漏上拉電阻組成。這里的上拉電阻R的阻值決定了邏輯電平轉(zhuǎn)換的上升/下降沿的速度。阻值越大，速度越低，功耗越小。因此在選擇上拉電阻時(shí)要兼顧功耗和速度。標(biāo)準(zhǔn)的開漏腳一般只有輸出的能力。添加其它的判斷電路，才能具備雙向輸入、輸出的能力。

很多單片機(jī)等器件的I/O就是漏極開路形式，或者可以配置成漏極開路輸出形式，如51單片機(jī)的P0口就為漏極開路輸出。在實(shí)際應(yīng)用中可以將多個(gè)開漏輸出的引腳連接到一條線上，這樣就形成“線與邏輯”關(guān)系。注意這個(gè)公共點(diǎn)必須接一個(gè)上拉電阻。當(dāng)這些引腳的任一路變?yōu)檫壿?后，開漏線上的邏輯就為0了。在I²C等接口總線中就用此法判斷總線占用狀態(tài)。

同集電極開路一樣，利用外部電路的驅(qū)動(dòng)能力，減少IC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)上拉電阻，再經(jīng)MOSFET到GND。IC內(nèi)部僅需很下的柵極驅(qū)動(dòng)電流，因此漏極開路也常用于驅(qū)動(dòng)電路中。

3. 推挽輸出

在功率放大器電路中經(jīng)常采用推挽放大器電路，這種電路中用兩只三極管構(gòu)成一級(jí)放大器電路，如圖所示。兩只三極管分別放大輸入信號(hào)的正半周和負(fù)半周，即用一只三極管放大信號(hào)的正半周，用另一只三極管放大信號(hào)的負(fù)半周，兩只三極管輸出的半周信號(hào)在放大器負(fù)載上合并后得到一個(gè)完整周期的輸出信號(hào)。

推挽放大器電路中，一只三極管工作在導(dǎo)通、放大狀態(tài)時(shí)，另一只三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)輸入信號(hào)變化到另一個(gè)半周后，原先導(dǎo)通、放大的三極管進(jìn)入截止，而原先截止的三極管進(jìn)入導(dǎo)通、放大狀態(tài)，兩只三極管在不斷地交替導(dǎo)通放大和截止變化，所以稱為推挽放大器。輸出既可以向負(fù)載灌電流，也可以從負(fù)載抽取電流

4. 上拉電阻與下拉電阻

在嵌入式接口的相關(guān)應(yīng)用中經(jīng)常提到上拉電阻與下拉電阻，顧名思義，上拉電阻就是把端口連接到電源的電阻，下拉電阻就是把端口連接到地的電阻。雖然電路形式非常簡單，然而上拉電阻與下拉電阻在很多場合卻扮演著非常重要的作用。

簡單的說，上拉電阻的主要作用在于提高輸出信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力、確定輸入信號(hào)的電平（防止干擾）等，具體的表現(xiàn)為：

l 當(dāng)TTL電路驅(qū)動(dòng)COMS電路時(shí)，如果TTL電路輸出的高電平低于COMS電路的最低高電平（一般為3.5V）， 這時(shí)就需要在TTL的輸出端接上拉電阻，以提高輸出高電平的值。

l OC門電路必須加上拉電阻，以提高輸出的搞電平值。

l 為加大輸出引腳的驅(qū)動(dòng)能力，有的單片機(jī)管腳上也常使用上拉電阻。

l 在COMS芯片上，為了防止靜電造成損壞，不用的管腳不能懸空，一般接上拉電阻產(chǎn)生降低輸入阻抗，提供泄荷通路。

l 芯片的管腳加上拉電阻來提高輸出電平，從而提高芯片輸入信號(hào)的噪聲容限增強(qiáng)抗干擾能力。

l 提高總線的抗電磁干擾能力。管腳懸空就比較容易接受外界的電磁干擾。

l 長線傳輸中電阻不匹配容易引起反射波干擾，加上下拉電阻是電阻匹配，有效的抑制反射波干擾。

上拉電阻阻值的選擇原則包括:

l 從節(jié)約功耗及芯片的灌電流能力考慮應(yīng)當(dāng)足夠大；電阻大，電流小。

l 從確保足夠的驅(qū)動(dòng)電流考慮應(yīng)當(dāng)足夠小；電阻小，電流大。

l 對于高速電路，過大的上拉電阻可能邊沿變平緩。

綜合考慮以上三點(diǎn)，通常在1K到10K之間選取。對下拉電阻也有類似道理。

5. 嵌入式微控制器的I/O配置

上面介紹了嵌入式系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)中相關(guān)的接口電路和概念，嵌入式微控制器的I/O是在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最常用到的接口，很多微控制器的I/O口可以進(jìn)行靈活配置，以本書中介紹的STM32F10X為例，STM32F10X的I/O可以配置成如表中所示的8中模式。因此在I/O的應(yīng)用中更為靈活。

STM32F10X端口位的基本結(jié)構(gòu)如圖所示，從圖中可以看到典型的推挽輸出電路與上下拉電阻，當(dāng)N-MOS被激活時(shí)就變成了典型的開漏輸出模式，當(dāng)N-MOS和P-MOS同時(shí)被激活時(shí)就變成了典型的推挽輸出模式，通過上拉電阻和下拉電阻的開關(guān)控制可以使端口處于上拉或者下拉輸入模式。

根據(jù)開漏輸出和推挽輸出的特點(diǎn)，可以很容易判斷在以下應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)工作在推挽輸出模式（或者復(fù)用推挽輸出）：

l 驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，驅(qū)動(dòng)LED、蜂鳴器等

l USART_TX、USART_CK、USART_RTS、MOSI、SPI主模式SCK、CAN_TX等需要較強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力的場合

而在I²C等接口總線應(yīng)用中，由于需要“線與”判斷總線占用狀態(tài)，以及需要使用電平轉(zhuǎn)換的場合需要將I/O配置成開漏輸出的模式。