開(kāi)漏輸出解析
一、開(kāi)漏與開(kāi)集輸出
在電子電路設(shè)計(jì)中,開(kāi)漏(OD)輸出和開(kāi)集(OC)輸出是兩種常見(jiàn)的輸出配置。當(dāng)使用 MOS 管作為輸出器件時(shí),被稱為開(kāi)漏輸出,其輸出引腳即為 MOS 管的漏極。

而當(dāng)以三極管作為輸出器件時(shí),則稱為開(kāi)集輸出,輸出引腳為三極管的集電極。由于 MOS 管在眾多應(yīng)用場(chǎng)景中更為普遍,因此通常使用 “開(kāi)漏輸出” 這一術(shù)語(yǔ)來(lái)泛指這兩種輸出方式。


而當(dāng)以三極管作為輸出器件時(shí),則稱為開(kāi)集輸出,輸出引腳為三極管的集電極。由于 MOS 管在眾多應(yīng)用場(chǎng)景中更為普遍,因此通常使用 “開(kāi)漏輸出” 這一術(shù)語(yǔ)來(lái)泛指這兩種輸出方式。

二、開(kāi)漏輸出的特性
(一)高電平需外部驅(qū)動(dòng)
開(kāi)漏輸出最顯著的特性之一是其在輸出高電平時(shí)缺乏自身的驅(qū)動(dòng)能力。這意味著僅依靠開(kāi)漏輸出電路本身,無(wú)法直接提供穩(wěn)定的高電平信號(hào)。為解決這一問(wèn)題,需在漏極或集電極外部接入上拉電阻,連接至相應(yīng)的電源電平。通過(guò)上拉電阻,當(dāng)輸出器件截止時(shí),外部電源可通過(guò)上拉電阻為輸出端提供高電平,從而使開(kāi)漏輸出具備完整的高低電平輸出功能。
(二)電平調(diào)節(jié)的靈活性
開(kāi)漏輸出的另一大優(yōu)勢(shì)在于其輸出電平的靈活性。輸出電平的高低完全由上拉電阻所連接的電源電壓決定。這一特性使得開(kāi)漏輸出在不同電平系統(tǒng)之間進(jìn)行接口連接時(shí)極為便利,尤其是在需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換的場(chǎng)合。例如,在將低電壓的微控制器與高電壓的外圍設(shè)備進(jìn)行連接時(shí),只需調(diào)整上拉電阻的電源電壓,即可實(shí)現(xiàn)電平的匹配,而無(wú)需復(fù)雜的電平轉(zhuǎn)換電路。
(三)便于實(shí)現(xiàn) “線與” 邏輯
開(kāi)漏輸出在數(shù)字邏輯電路中,為實(shí)現(xiàn) “線與” 邏輯功能提供了極大的便利。所謂 “線與”,是指將多個(gè)信號(hào)線直接連接在一起,形成一條總線。在這種連接方式下,只有當(dāng)所有連接的信號(hào)線輸出均為低電平時(shí),總線呈現(xiàn)高電平;只要有一個(gè)或多個(gè)信號(hào)線輸出為高電平,總線則呈現(xiàn)低電平。多個(gè)開(kāi)漏輸出信號(hào)連接到同一條總線上時(shí),可通過(guò)各自的輸出狀態(tài)共同決定總線的電平狀態(tài),從而實(shí)現(xiàn) “線與” 邏輯功能,這在如 I2C 總線等多主多從通信協(xié)議中得到了廣泛應(yīng)用。
三、開(kāi)漏輸出電路原理與應(yīng)用


(一)電路結(jié)構(gòu)
開(kāi)漏輸出電路的核心是將場(chǎng)效應(yīng)管的漏極直接引出作為輸出引腳。場(chǎng)效應(yīng)管在電路中通常工作在飽和區(qū)或截止區(qū)。當(dāng)需要輸出低電平時(shí),場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通,將輸出引腳拉低至接近地電位;當(dāng)需要輸出高電平時(shí),場(chǎng)效應(yīng)管截止,此時(shí)輸出引腳處于高阻態(tài),由外部上拉電阻和電源共同作用提供高電平。
(二)電平匹配功能
在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中,不同芯片或設(shè)備的邏輯電平往往存在差異。例如,某些微控制器的工作電壓可能為 3.3V,而與其連接的外圍設(shè)備可能需要 5V 的邏輯電平。在這種情況下,開(kāi)漏輸出模式能夠發(fā)揮其電平匹配的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)耐獠可侠娫措妷海梢詫㈤_(kāi)漏輸出的高電平轉(zhuǎn)換為目標(biāo)電平,從而實(shí)現(xiàn)不同電平系統(tǒng)之間的無(wú)縫連接。
(三)減輕 MCU 負(fù)擔(dān)
從微控制器單元(MCU)的角度來(lái)看,使用開(kāi)漏輸出模式能夠有效減輕其負(fù)擔(dān)。由于開(kāi)漏輸出的高電平由外部電源提供,MCU 無(wú)需直接驅(qū)動(dòng)輸出引腳至高電平,從而降低了 MCU 的驅(qū)動(dòng)電流需求,有助于提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
(四)“線與” 邏輯的應(yīng)用實(shí)例
在 I2C 總線通信中,多個(gè)設(shè)備共享同一條數(shù)據(jù)總線。每個(gè)設(shè)備的開(kāi)漏輸出引腳連接到該總線上。當(dāng)某個(gè)設(shè)備需要發(fā)送低電平時(shí),其開(kāi)漏輸出的場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通,將總線拉低;而當(dāng)所有設(shè)備均不發(fā)送低電平(即場(chǎng)效應(yīng)管均截止)時(shí),總線通過(guò)上拉電阻連接到電源,呈現(xiàn)高電平。通過(guò)這種方式,多個(gè)設(shè)備可以在總線上進(jìn)行協(xié)同通信,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與共享。這種 “線與” 邏輯的實(shí)現(xiàn)方式,使得 I2C 總線能夠在簡(jiǎn)單的硬件基礎(chǔ)上,支持多設(shè)備通信,降低了硬件成本和復(fù)雜度。

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