各種IO輸出的類型及如何區(qū)分-電路基礎(chǔ)知識

什么是IO

各種IO輸出的類型及如何區(qū)分，I/O輸入/輸出(Input/Output)，分為IO設(shè)備和IO接口兩個(gè)部分。

在POSIX兼容的系統(tǒng)上，例如Linux系統(tǒng)，I/O操作可以有多種方式，比如DIO(Direct I/O)，AIO(Asynchronous，I/O 異步I/O)，Memory-Mapped I/O(內(nèi)存映設(shè)I/O)等，不同的I/O方式有不同的實(shí)現(xiàn)方式和性能，在不同的應(yīng)用中可以按情況選擇不同的I/O方式。

輸入輸出I/O流可以看成對字節(jié)或者包裝后的字節(jié)的讀取就是拿出來放進(jìn)去雙路切換；實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)的弱電線路與被控設(shè)備的強(qiáng)電線路之間的轉(zhuǎn)接、隔離，以防止強(qiáng)電竄入系統(tǒng)，保障系統(tǒng)的安全；與專線控制盤連接，用于控制重要消防設(shè)備（如消防泵、噴淋泵、風(fēng)機(jī)等），一只模塊可控制一臺(tái)大型消防設(shè)備的啟、?？刂疲?/span>

插拔式結(jié)構(gòu)，可像安裝探測器一樣先將底座安裝在墻上，布線后工程調(diào)試前再將切換模塊插入底座。易于施工、維護(hù)；通過無源動(dòng)合接點(diǎn)或切換AC220V電壓作為回答信號。確認(rèn)燈動(dòng)作燈—紅色，回答燈—綠色；動(dòng)作時(shí)，動(dòng)作燈常亮、回答燈常亮。

各種IO輸出的類型-集電極開路（OC）

集電極開路輸出的結(jié)構(gòu)如圖1所示，右邊的那個(gè)三極管集電極什么都不接，所以叫做集電極開路；左邊的三極管為反相之用，使輸入為“0”時(shí)，輸出也為“0”。對于圖 1，當(dāng)左端的輸入為“0”時(shí)，前面的三極管截止，所以5v電源通過1k電阻加到右邊的三極管上，右邊的三極管導(dǎo)通；當(dāng)左端的輸入為“1”時(shí)，前面的三極管導(dǎo)通，而后面的三極管截止。

我們將圖1簡化成圖2的樣子，很明顯可以看出，當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，輸出直接接地，所以輸出電平為0。而當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，則輸出端懸空了，即高阻態(tài)。這時(shí)電平狀態(tài)未知，如果后面一個(gè)電阻負(fù)載到地，那么輸出端的電平就被這個(gè)負(fù)載拉到低電平了，所以這個(gè)電路是不能輸出高電平的。

圖3中那個(gè)1k的電阻即是上拉電阻。如果開關(guān)閉合，則有電流從1k電阻及開關(guān)上流過，但由于開關(guān)閉和時(shí)電阻為0（方便我們的討論，實(shí)際情況中開關(guān)電阻不為0，另外對于三極管還存在飽和壓降），所以在開關(guān)上的電壓為0，即輸出電平為0。如果開關(guān)斷開，則由于開關(guān)電阻為無窮大（同上，不考慮實(shí)際中的漏電流），所以流過的電流為0，因此在1k電阻上的壓降也為0，所以輸出端的電壓就是5v了，這樣就能輸出高電平了。

但是這個(gè)輸出的內(nèi)阻是比較大的 —— 即1k，如果接一個(gè)電阻為r的負(fù)載，通過分壓計(jì)算，就可以算得最后的輸出電壓為5*r/(r+1000)伏，所以，如果要達(dá)到一定的電壓的話，r就不能太小。如果r真的太小，而導(dǎo)致輸出電壓不夠的話，那我們只有通過減小那個(gè)1k的上拉電阻來增加驅(qū)動(dòng)能力。

但是，上拉電阻又不能取得太小，因?yàn)楫?dāng)開關(guān)閉合時(shí)，將產(chǎn)生電流，由于開關(guān)能流過的電流是有限的，因此限制了上拉電阻的取值。另外還需要考慮到，當(dāng)輸出低電平時(shí)，負(fù)載可能還會(huì)給提供一部分電流從開關(guān)流過，因此要綜合這些電流考慮來選擇合適的上拉電阻。

如果我們將一個(gè)讀數(shù)據(jù)用的輸入端接在輸出端，這樣就是一個(gè)IO口了，51的IO口就是這樣的結(jié)構(gòu)，其中P0口內(nèi)部不帶上拉，而其它三個(gè)口帶內(nèi)部上拉。當(dāng)我們要使用輸入功能時(shí)，只要將輸出口設(shè)置為1即可，這樣就相當(dāng)于那個(gè)開關(guān)斷開，而對于P0口來說，就是高阻態(tài)了。

各種IO輸出的類型-漏極開路（OD）

對于漏極開路（OD）輸出，跟集電極開路輸出是十分類似的。將上面的三極管換成場效應(yīng)管即可。這樣集電極就變成了漏極，OC就變成了OD，原理分析是一樣的。OC門主要用于3個(gè)方面：實(shí)現(xiàn)與或非邏輯，用做電平轉(zhuǎn)換，用做驅(qū)動(dòng)器。

開漏形式的電路有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1、利用外部電路的驅(qū)動(dòng)能力，減少IC內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)，或驅(qū)動(dòng)比芯片電源電壓高的負(fù)載。

2、可以將多個(gè)開漏輸出的Pin，連接到一條線上。通過一只上拉電阻，在不增加任何器件的情況下，形成“與邏輯”關(guān)系。這也是I2C，SMBus等總線判斷總線占用狀態(tài)的原理。

3、由于漏級開路，所以后級電路必須接一上拉電阻，上拉電阻的電源電壓就可以決定輸出電平。這樣就可以進(jìn)行任意電平的轉(zhuǎn)換了。

4、源極開路提供了靈活的輸出方式，但是也有其弱點(diǎn)，就是帶來上升沿的延時(shí)。因?yàn)樯仙厥峭ㄟ^外接上拉無源電阻對負(fù)載充電，所以當(dāng)電阻選擇小時(shí)延時(shí)就小，但功耗大；反之延時(shí)大功耗小。所以如果對延時(shí)有要求，則建議用下降沿輸出。

各種IO輸出的類型-推挽輸出

另一種輸出結(jié)構(gòu)是推挽輸出。推挽輸出的結(jié)構(gòu)就是把上面的上拉電阻也換成一個(gè)開關(guān)，當(dāng)要輸出高電平時(shí)，上面的開關(guān)通，下面的開關(guān)斷；而要輸出低電平時(shí)，則剛好相反。

比起OC或者OD來說，這樣的推挽結(jié)構(gòu)高、低電平驅(qū)動(dòng)能力都很強(qiáng)。如果兩個(gè)輸出不同電平的輸出口接在一起的話，就會(huì)產(chǎn)生很大的電流，有可能將輸出口燒壞。而上面說的OC或OD輸出則不會(huì)有這樣的情況，因?yàn)樯侠娮杼峁┑碾娏鞅容^小。如果是推挽輸出的要設(shè)置為高阻態(tài)時(shí)，則兩個(gè)開關(guān)必須同時(shí)斷開(或者在輸出口上使用一個(gè)傳輸門)，這樣可作為輸入狀態(tài)，AVR單片機(jī)的一些IO口就是這種結(jié)構(gòu)。

各種IO輸出的類型-驅(qū)動(dòng)電路的兩種形式

單片機(jī)內(nèi)部的邏輯經(jīng)過內(nèi)部的邏輯運(yùn)算后需要輸出到外面，外面的器件可能需要較大的電流才能推動(dòng)，因此在單片機(jī)的輸出端口必須有一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路。

1、采用一只N型三極管

其中的一種是采用一只N型三極管 —— NPN或N溝道，以NPN三極管為例，就是e接地，b接內(nèi)部的邏輯運(yùn)算，c引出。b受內(nèi)部驅(qū)動(dòng)可以控制三極管是否導(dǎo)通，但如果三極管的c極一直懸空，盡管b極上發(fā)生高低變化，c極上也不會(huì)有高低變化，因此在這種條件下必須在外部提供一個(gè)電阻，電阻的一端接c(引出腳)另一端接電源，這樣當(dāng)三極管的b有高電壓是三極管導(dǎo)通，c電壓為低，當(dāng)b為低電壓時(shí)三極管不通，c極在電阻的拉動(dòng)下為高電壓。

這種驅(qū)動(dòng)電路有個(gè)特點(diǎn)：低電壓是三極管驅(qū)動(dòng)的，高電壓是電阻驅(qū)動(dòng)的——上下不對稱，三極管導(dǎo)通時(shí)的ec內(nèi)阻很小，因此可以提供很大的電流，可以直接驅(qū)動(dòng)led甚至繼電器，但電阻的驅(qū)動(dòng)是有限的，最大高電平輸出電流=(VCC-Vh)/r。

2、采用兩只晶體管

另一種是互補(bǔ)推挽輸出，采用兩只晶體管，一只在上一只在下，上面的一只是n型，下面為p型(以三極管為例)，兩只管子的連接為：NPN(上)的c連VCC，PNP(下)的c接地，兩只管子的ee,bb相連，其中ee作為輸出(引出腳)，bb接內(nèi)部邏輯。這個(gè)電路通常用于功率放大點(diǎn)路的末級(音響)，當(dāng)bb接高電壓時(shí)NPN管導(dǎo)通輸出高電壓，由于三極管的ec電阻很小，因此輸出的高電壓有很強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，當(dāng)bb接低電壓時(shí)NPN截至，PNP導(dǎo)通，由于三極管的ec電阻很小因此輸出的低電壓有很強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力。

簡單的例子，9013導(dǎo)通時(shí)ec電阻不到10歐，以Vh=2.5v，VCC=5v計(jì)算，高電平輸出電流最大=250MA，短路電流500ma，這個(gè)計(jì)算同時(shí)告訴我們采用推挽輸出時(shí)一定要小心千萬不要出現(xiàn)外部電路短路的可能，否則肯定燒毀芯片，特別是外部驅(qū)動(dòng)三極管時(shí)別忘了在三極管的基極加限流電阻。推挽輸出電路的形式很多，有些單片機(jī)上下都采用n型管，但內(nèi)部邏輯提供互補(bǔ)輸出，以上的說明僅僅為了說明推挽的原理，為了更深的理解可以參考功率放大電路。

各種IO輸出的類型-上拉電阻和弱上拉

上拉電阻很大，提供的驅(qū)動(dòng)電流很小叫弱上拉，反之叫強(qiáng)上拉。

1、為什么要使用拉電阻

上拉就是將不確定的信號通過一個(gè)電阻嵌位在高電平，電阻同時(shí)起限流作用，下拉同理。上拉是對器件注入電流，下拉是輸出電流，弱強(qiáng)只是上拉電阻的阻值不同，沒有什么嚴(yán)格區(qū)分。

對于非OC、OD輸出型電路提升電流和電壓的能力是有限的，上拉電阻的功能主要是為集電極開路輸出型電路輸出電流通道。

2、上拉電阻的主要應(yīng)用

（1）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。

（2）OC門電路要輸出“1”時(shí)需要加上拉電阻，不加根本就沒有高電平。

（3）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，但在用OC門作驅(qū)動(dòng)(例如：控制一個(gè) LED)灌電流工作時(shí)就可以不加上拉電阻。

（4）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。

（5）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。

（6）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。

3、上拉電阻阻值的選擇原則包括

（1）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。

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

（3）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。

各種IO輸出的類型-三態(tài)門

高阻態(tài)時(shí)引腳對地電阻無窮，此時(shí)讀引腳電平時(shí)可以讀到真實(shí)的電平值。高阻態(tài)的重要作用就是I/O(輸入/輸出)口在輸入時(shí)讀入外部電平用。一般門與其它電路的連接，無非是兩種狀態(tài)，1或者0，在比較復(fù)雜的系統(tǒng)中，為了能在一條傳輸線上傳送不同部件的信號，研制了相應(yīng)的邏輯器件稱為三態(tài)門。

三態(tài)門，除了有這兩種狀態(tài)以外還有一個(gè)高阻態(tài)，就是高阻抗(電阻很大，相當(dāng)于開路)。相當(dāng)于該門與和它連接的電路處于斷開的狀態(tài)。三態(tài)門是一種擴(kuò)展邏輯功能的輸出級，也是一種控制開關(guān)。

主要是用于總線的連接，因?yàn)榭偩€只允許同時(shí)只有一個(gè)使用者。通常在數(shù)據(jù)總線上接有多個(gè)器件，每個(gè)器件通過OE/CE之類的信號選通。如器件沒有選通的話它就處于高阻態(tài)，相當(dāng)于沒有接在總線上，不影響其它器件的工作。

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