1.1.1 接口相關電路及概念

1. 集電極開路輸出

在電路中常會遇到漏極開路（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。電路中右側的三極管集電極什么都不接，所以叫做集電極開路，左側的三極管用于反相作用，即左側輸入“0”時左側三極管截止，VCC通過電阻加到右側三極管基極，右側三極管導通，右側輸出端連接到地，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換，通過上拉電阻上拉至不同的電壓，來實現(xiàn)不同的電平轉換。

用做驅動器。由于OC門電路的輸出管的集電極懸空，使用時需外接一個上拉電阻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動能力，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當足夠大；從確保足夠的驅動電流考慮應當足夠小。

將OC門輸出連在一起時，再通過一個電阻接外電源，可以實現(xiàn)“線與”邏輯關系。只要電阻的阻值和外電源電壓的數(shù)值選擇得當，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載電流又不至于過大。

集電極開路輸出除了可以實現(xiàn)多門的線與邏輯關系外，通過使用大功率的三極管還可用于直接驅動較大電流的負載，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要兼顧功耗和速度。標準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單片機的P0口就為漏極開路輸出。在實際應用中可以將多個開漏輸出的引腳連接到一條線上，這樣就形成“線與邏輯”關系。注意這個公共點必須接一個上拉電阻。當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，利用外部電路的驅動能力，減少IC內部的驅動。當IC內部MOSFET導通時，驅動電流是從外部的VCC流經上拉電阻，再經MOSFET到GND。IC內部僅需很下的柵極驅動電流，因此漏極開路也常用于驅動電路中。

3. 推挽輸出

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

推挽放大器電路中，一只三極管工作在導通、放大狀態(tài)時，另一只三極管處于截止狀態(tài)，當輸入信號變化到另一個半周后，原先導通、放大的三極管進入截止，而原先截止的三極管進入導通、放大狀態(tài)，兩只三極管在不斷地交替導通放大和截止變化，所以稱為推挽放大器。輸出既可以向負載灌電流，也可以從負載抽取電流

4. 上拉電阻與下拉電阻

在嵌入式接口的相關應用中經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的驅動能力、確定輸入信號的電平（防止干擾）等，具體的表現(xiàn)為：

l 當TTL電路驅動COMS電路時，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動能力，有的單片機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的噪聲容限增強抗干擾能力。

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當足夠大；電阻大，電流小。

l 從確保足夠的驅動電流考慮應當足夠小；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，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)接口設計中相關的接口電路和概念，嵌入式微控制器的I/O是在嵌入式系統(tǒng)設計中最常用到的接口，很多微控制器的I/O口可以進行靈活配置，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的應用中更為靈活。

STM32F10X端口位的基本結構如圖所示，從圖中可以看到典型的推挽輸出電路與上下拉電阻，當N-MOS被激活時就變成了典型的開漏輸出模式，當N-MOS和P-MOS同時被激活時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，可以很容易判斷在以下應用中應當工作在推挽輸出模式（或者復用推挽輸出）：

l 驅動應用中，驅動LED、蜂鳴器等

l USART_TX、USART_CK、USART_RTS、MOSI、SPI主模式SCK、CAN_TX等需要較強驅動能力的場合

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