一文詳解開漏輸出和開集輸出的原理、特點(diǎn)和應(yīng)用

開漏（open-drain）或開集電極（open-collector）輸出引腳由單個(gè)晶體管驅(qū)動，將引腳拉到只有一個(gè)電壓（通常是接地）。當(dāng)輸出設(shè)備關(guān)閉時(shí)，引腳被懸空（開啟，或高阻態(tài)）。

一個(gè)常見的例子是n溝道晶體管，當(dāng)晶體管導(dǎo)通時(shí)，將信號拉向地，或者當(dāng)晶體管關(guān)斷時(shí)，將信號保持開路。

開漏指的是在場效應(yīng)晶體管技術(shù)中實(shí)現(xiàn)的這種電路，因?yàn)榫w管的漏極端口連接到輸出端；開集指的是雙極晶體管的集電極連接到輸出。

當(dāng)晶體管關(guān)斷時(shí)，信號可以被另一個(gè)設(shè)備驅(qū)動，或者可以通過電阻上拉或下拉。電阻可防止未定義的漂浮狀態(tài)（高阻態(tài)）。

什么是開集輸出

Open collector（開集）是一種電路輸出結(jié)構(gòu)，它允許多個(gè)輸出設(shè)備共享一個(gè)電路線。在Open collector電路中，輸出器件可以將輸出線拉低（接地），但不能將其拉高。因此，當(dāng)輸出器件拉低時(shí)，輸出線將被拉低，而當(dāng)輸出器件不拉低時(shí)，輸出線將由上拉電阻上拉到高電平。這種結(jié)構(gòu)通常用于數(shù)字電路和總線系統(tǒng)中。

集電極開路輸出通過內(nèi)部雙極結(jié)型晶體管 (BJT) 的基極處理 IC 的輸出，該晶體管的集電極暴露為外部輸出引腳。

對于 NPN 開路集電極輸出，NPN 晶體管的發(fā)射極在內(nèi)部接地， 因此 NPN 開路集電極在內(nèi)部形成短路（技術(shù)上低阻抗或“低 Z”）連接到晶體管導(dǎo)通時(shí)的低電壓（可能接地），或晶體管關(guān)閉時(shí)的開路（技術(shù)上高阻抗或“hi-Z”）。輸出通常連接到外部上拉電阻，當(dāng)晶體管關(guān)閉時(shí)，該電阻將輸出電壓拉至電阻的電源電壓。

對于NPN開漏輸出，NPN晶體管的發(fā)射極內(nèi)部連接到地，因此當(dāng)晶體管開啟時(shí)，NPN開漏內(nèi)部形成短路（技術(shù)上是低阻抗或“低-Z”）連接到低電壓（可能是地線），或者當(dāng)晶體管關(guān)閉時(shí)形成開路（技術(shù)上是高阻抗或“高-Z”）。輸出通常連接到外部上拉電阻，當(dāng)晶體管關(guān)閉時(shí)，上拉電阻將輸出電壓拉到電阻的供電電壓。

對于 PNP 集電極開路輸出，PNP 晶體管的發(fā)射極在內(nèi)部連接到正電壓軌，因此集電極在晶體管導(dǎo)通時(shí)輸出高電壓，在晶體管截止時(shí)輸出高阻態(tài)。這有時(shí)稱為“集電極開路，驅(qū)動高”。

什么是開漏輸出

開漏輸出（Open drain）是一種電路設(shè)計(jì)中常見的輸出模式，它允許多個(gè)設(shè)備共享同一輸出線。在這種模式下，輸出端口可以被拉低以接地，但不能被拉高。這種設(shè)計(jì)可以用于連接到其他設(shè)備的輸入端口，以便它們可以通過外部上拉電阻來拉高輸出端口。

上圖中的 Drain 是漏極，Source 是源極。

開漏輸出使用 MOS 晶體管 (MOSFET) 代替 BJT，并將 MOSFET 的漏極暴露為輸出。

如果沒有外部上拉電阻，當(dāng)高電壓施加到 MOSFET 柵極時(shí)，nMOS 開漏輸出接地，OK 沒問題。但是，當(dāng)?shù)碗妷菏┘拥綎艠O時(shí)呈現(xiàn)高阻抗。由于 MOSFET 不導(dǎo)通，該高阻抗?fàn)顟B(tài)下的電壓將是浮動的（未定義），這就是為什么 nMOS 開漏輸出需要一個(gè)連接到正電壓軌的上拉電阻器以產(chǎn)生高輸出電壓。

使用 nMOS 開漏輸出的 MOS 管可能會提供“弱”（高電阻，通常約為 100 kΩ）內(nèi)部上拉電阻，以將相關(guān)引腳連接到器件的正電源，因此它們的輸出電壓不會漂浮。這種弱上拉電阻由于其較低的 而降低了功耗，并且可能避免對外部上拉的需要。外部上拉可能會“更強(qiáng)”（較低的電阻，也許 3 kΩ），以減少信號上升時(shí)間（如 I2C）或最大限度地減少噪聲（如系統(tǒng) RESET 輸入)。

現(xiàn)代微控制器可能允許對特定輸出引腳進(jìn)行編程，以使用開漏輸出而不是推挽輸出、內(nèi)部上拉的強(qiáng)度，并允許在不需要時(shí)禁用內(nèi)部上拉。

對于 pMOS 開漏極，當(dāng)晶體管導(dǎo)通時(shí)，輸出連接到正電源軌，而當(dāng)晶體管關(guān)斷時(shí)，輸出為高阻抗。這有時(shí)稱為“開漏，驅(qū)動高”。

應(yīng)用

開漏輸出和開集輸出是兩種常用的電路輸出模式，它們的區(qū)別在于使用的器件不同，開漏輸出使用MOS管，開集輸出使用三極管。這兩種輸出模式的共同特點(diǎn)是高電平時(shí)輸出高阻，需要借助外部上拉電阻才能輸出高電平。這樣可以實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)方面的應(yīng)用：

電平轉(zhuǎn)換：由于輸出電平由上拉電阻連接的電源電平?jīng)Q定，所以可以很方便地實(shí)現(xiàn)不同電平之間的轉(zhuǎn)換，例如從3.3V轉(zhuǎn)換到5V，或者從5V轉(zhuǎn)換到12V等。

線與功能：由于多個(gè)開漏輸出或開集輸出可以直接連接在一起，形成一個(gè)總線，所以可以實(shí)現(xiàn)線與功能，即只有當(dāng)所有信號全部為高電平時(shí)，總線為高電平；只要有任意一個(gè)或者多個(gè)信號為低電平，則總線為低電平。這樣可以實(shí)現(xiàn)信號的邏輯運(yùn)算和同步控制，例如在I2C總線中，就使用了開漏輸出來實(shí)現(xiàn)線與功能。

電流放大：由于開漏輸出或開集輸出的輸出電流由上拉電阻的大小決定，所以可以通過調(diào)節(jié)上拉電阻的阻值來實(shí)現(xiàn)電流的放大，例如在LED驅(qū)動中，就可以使用開漏輸出或開集輸出來提供較大的電流。

當(dāng)然，開漏輸出和開集輸出也有一些缺點(diǎn)，例如：

輸出速度慢：由于輸出高電平時(shí)需要通過上拉電阻充電，而上拉電阻的阻值不能太小，否則會造成過大的功耗，所以輸出高電平的速度會受到限制，不能達(dá)到很高的頻率。

功耗大：由于輸出低電平時(shí)需要通過上拉電阻放電，而上拉電阻的阻值不能太大，否則會影響輸出電平的穩(wěn)定性，所以輸出低電平時(shí)會有較大的功耗，不能實(shí)現(xiàn)低功耗的設(shè)計(jì)。

審核編輯：劉清