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【整理】open-drain, push-pull,MOSFET, MOS管,三极管等基础知识

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【整理】open-drain, push-pullMOSFET, MOS管,三极管等基础知识

版本:v20110804

作者:crifan

邮箱:green-waste (at) a163.com

 

open-drainpush-pull

GPIO的功能,简单说就是可以根据自己的需要去配置为输入或输出。但是在配置GPIO管脚的时候,常会见到两种模式:开漏(open-drain,漏极开路)和推挽(push-pull)。

对此两种模式,有何区别和联系,下面整理了一些资料,来详细解释一下:

 

图表 1 Push-Pull对比Open-Drain

 

Push-Pull推挽输出

Open-Drain开漏输出

原理

输出的器件是指输出脚内部集成有一对互补的MOSFET,当Q1导通、Q2截止时输出高电平;而当Q1截止导通、Q2导通时输出低电平

开漏电路就是指以MOSFET的漏极为输出的电路。

指内部输出和地之间有个N沟道的MOSFETQ1),这些器件可以用于电平转换的应用。输出电压由Vcc’决定。Vcc’可以大于输入高电平电压VCCuptranslate)也可以低于输入高电平电压VCCdowntranslate)。

某老外的更加透彻的解释

Push-pull输出,实际上内部是用了两个晶体管(transistor),此处分别称为top transistorbottom transistor

通过开关对应的晶体管,输出对应的电平。

top transistor打开(bottom transistor关闭),输出为高电平;

bottom transistor打开(top transistor关闭),输出低电平。

 

Push-pull即能够漏电流(sink current),又可以集电流(source current)。其也许有,也许没有另外一个状态:高阻抗(high impedance)状态。除非Push-pull需要支持额外的高阻抗状态,否则不需要额外的上拉电阻。

Open-drain输出,则是比push-pull

少了个top transistor,只有那个bottom transistor

(就像push-pull中的那样)当bottom transistor关闭,则输出为高电平。

此处没法输出高电平,想要输出高电平,必须外部再接一个上拉电阻(pull-up resistor)。

 

Open-drain只能够漏电流(sink current),如果想要集电流(source current),则需要加一个上拉电阻。

常见的GPIO的模式可以配置为open-drainpush-pull,具体实现上,常为通过配置对应的寄存器的某些位来配置为open-drain或是push-pull

当我们通过CPU去设置那些GPIO的配置寄存器的某位(bit)的时候,其GPIO硬件IC内部的实现是,会去打开或关闭对应的top transistor。相应地,如果设置为了open-d模式的话,是需要上拉电阻才能实现,也能够输出高电平的。因此,如果硬件内部(internal)本身包含了对应的上拉电阻的话,此时会去关闭或打开对应的上拉电阻。如果GPIO硬件IC内部没有对应的上拉电阻的话,那么你的硬件电路中,必须自己提供对应的外部(external)的上拉电阻。

 

push-pull输出的优势是速度快,因为线路(line)是以两种方式驱动的。

而带了上拉电阻的线路,即使以最快的速度去提升电压,最快也要一个常量的R×C的时间。其中R是电阻,C是寄生电容(parasitic capacitance),包括了pin脚的电容和板子的电容。

但是,push-pull相对的缺点是往往需要消耗更多的电流,即功耗相对大。

open-drain所消耗的电流相对较小,由电阻R所限制,而R不能太小,因为当输出为低电平的时候,需要sink更低的transistor,这意味着更高的功耗。(此段原文:because the lower transistor has to sink that current when the output is low; that means higher power consumption.

open-drain的好处之一是,允许你cshort(?)多个open-drain的电路,公用一个上拉电阻,此种做法称为wired-OR连接,此时可以通过拉低任何一个IOpin脚使得输出为低电平。为了输出高电平,则所有的都输出高电平。此种逻辑,就是“线与”的功能,可以不需要额外的门(gate)电路来实现此部分逻辑。

原理图

图表 2 push-pull原理图

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图表 3 open-drain原理图

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图表 4 open-drain“线与”功能

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优点

1)可以吸电流,也可以贯电流;

2)和开漏输出相比,pushpull的高低电平由IC的电源低定,不能简单的做逻辑操作等。

1 对于各种电压节点间的电平转换非常有用,可以用于各种电压节点的Up-translatedowntranslate转换
2)可以将多个开漏输出的Pin脚,连接到一条线上,形成
与逻辑关系,线与功能,任意一个变低后,开漏线上的逻辑就为0了。这也是I2CSMBus等总线判断总线占用状态的原理。

3)利用 外部电路的驱动能力,减少IC内部的驱动。当IC内部MOSFET导通时,驱动电流是从外部的VCC流经R pull-up MOSFETGNDIC内部仅需很下的栅极驱动电流。

4)可以利用改变上拉电源的电压,改变传输电平:

图表 5 open-drain输出电平的原理

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IC的逻辑电平由电源Vcc1决定,而输出高电平则由Vcc2决定。这样我们就可以用低电平逻辑控制输出高电平逻辑了。

缺点

一条总线上只能有一个push-pull输出的器件;

 开漏Pin不连接外部的上拉电阻,则只能输出低电平。

 

当输出电平为低时,N沟道三极管是导通的,这样在Vcc’GND之间有一个持续的电流流过上拉电阻R和三极管Q1。这会影响整个系统的功耗。采用较大值的上拉电阻可以减小电流。但是,但是大的阻值会使输出信号的上升时间变慢。即上拉电阻R pull-up的阻值 决定了逻辑电平转换的沿的速度  。阻值越大,速度越低功耗越小。反之亦然。

特点

CMOS电路里面应该叫CMOS输出更合适,因为在CMOS里面的pushpull输出能力不可能做得双极那么大。输出能力看IC内部输出极NP管的面积。

pushpull是现在CMOS电路里面用得最多的输出级设计方式。

 

 

open-drainpush-pull的总结】

对于GPIO的模式的设置,在不考虑是否需要额外的上拉电阻的情况下,是设置为open-drain还是push-pull,说到底,还是个权衡的问题:

如果你想要电平转换速度快的话,那么就选push-pull,但是缺点是功耗相对会大些。

如果你想要功耗低,且同时具有“线与”的功能,那么就用open-drain的模式。(同时注意GPIO硬件模块内部是否有上拉电阻,如果没有,需要硬件电路上添加额外的上拉电阻)

正所谓,转换速度与功耗,是鱼与熊掌,二则不可兼得焉。

 

MOS管的分类】

图表 6 MOS管分类

MOS

JFET

(结型场效应管)

 

 

MOSFET

(金属绝缘栅型场效应管)

 

N(Negative)

沟道

增强型

耗尽型

P(Positive)

沟道

增强型

耗尽型

 

MOSFET是在JFET基础上发展起来的,两者结构上存在一些差异,但使用方法和特点基本类似。

 

MOS管和三极管的比较】

图表 7 MOS管和三极管的比较

 

MOS

三极管

控制方式

电压控制器件

电流控制器件

输入阻抗

特别高

相对小

输出电阻

驱动能力强

相对大

截止频率

通过电流能力

功率大,要找一个小电流的MOS很不容易

稳定性

可以工作在极高的频率下

相对不好

击穿电压

非常容易受静电影响,管脚不用的话一定要接地或者接电源。

有些管脚不用的话,把脚悬空都问题不大

易用性

不好

用法要稍微复杂一点,比如P沟道的MOS管,需要负电压来控制,相对三极管中的PNP管,明显要复杂得多。

电子初学者中熟悉三极管用过三极管的要远远多于熟悉MOS管的,小功率塑封三极管比如9000系列,80508550之类的非常容易买到,而且价格便宜,在信号放大和简单开关方面都用得很多,也非常方便。 

总结

现在的集成电路多半使用MOS为基础

 

 

【三极管,PNPNPN

Ppositive阳极,Nnegative阴极;

P极中空穴多显正极性,N极中电子多显负极性;

PNPNPN就是三级管的叠放次序,PN靠在一起会形成PN结,所以三极管中会有两个PN结,所以又称为双极结晶体管。

 

【场效应管与三极管】

场效应管和三极管的功能、作用一样,可以用于放大、振荡、开关电路。

N沟道场效应管和NPN三极管类似,工作条件是在栅极加正向极性控制电压,在漏极加正极性电源电压,改变栅极电压就可以改变漏极与源极之间的电流大小。

P沟道场效应管和PNP三极管类似,工作条件是在栅极加负极性控制电压,在漏极加负向极性电源电压,改变栅极电压就可以改变漏极与源极之间的电流大小。

目前应用比较广泛的是N沟道场效应管,就像三极管NPN型应用比较多一样。

 

【参考资料】

1. question: push-pull or open-drain mode

http://www.edaboard.com/thread97365.html

2. open-drain and push-pull

http://blog.21ic.com/user1/2873/archives/2008/49225.html

3. Open drain & push pull 原理()

http://blog.csdn.net/asdfasdfhhh/article/details/4289514

4. 谁能告诉我三极管,mos管和mosfwt到底怎么区分啊??

http://zhidao.baidu.com/question/102122419.html

5. MOSFET和三极管的主要区别

http://blog.ednchina.com/cym_anhui/99752/message.aspx

6. 场效应管和三极管的NPN, PNP是什么意思,他们在电路中有什么作用

http://zhidao.baidu.com/question/234717192.html?pt=dwso_1_pg

7. 教你通俗易懂的理解三极管

http://bbs.dianyuan.com/index.php?do=tech_info_show&cate_id=0&id=11970&page=2

8. 场效应管的工作条件,通俗易懂点!最好类比三极管NPNPNP以及N沟道和P沟道的

http://zhidao.baidu.com/question/115497382.html?fr=qrl&cid=86&index=3

9. The difference in open-drain and push-pull

http://www.electro-tech-online.com/general-electronics-chat/5535-difference-open-drain-push-pull.html

10. Open drain and push-pull

http://www.motherboardpoint.com/open-drain-and-push-pull-t89968.html

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