開集、開漏與推挽輸出原理詳解

為了讓同學(xué)們更加清楚的了解開集、開漏與推挽輸出，今天我們就詳解這兩者之間的區(qū)別與應(yīng)用場景。

開極、開漏輸出與推挽輸出是我們在學(xué)習(xí)電子電路的必須要掌握的知識點，也是我們在設(shè)計控制系統(tǒng)時必須要用到的知識點。

先從他們的原理開始講：

首先是開集輸出，集就是指的三極管的集電極了。下圖就是集電極開路輸出的兩種形式：

第一種是NPN型開集輸出，就是在電路沒有接入負(fù)載時，如果輸入信號為高電平，輸出就是低電平；如果輸入為低電平，輸出為高阻態(tài)。當(dāng)接入負(fù)載時，當(dāng)輸入信號為高電平時，三極管導(dǎo)通，電流經(jīng)過負(fù)載流過三極管；輸入為低電平時，三極管截止，負(fù)載中無電流流過。

第二種是PNP型開集輸出，和NPN的情況正好相反的。在電路未接入負(fù)載時，當(dāng)輸入信號為低電平時輸出為高電平；輸入為高電平時輸出為高阻態(tài)；當(dāng)接入負(fù)載時，當(dāng)輸入信號為低電平時三極管導(dǎo)通，電流經(jīng)過三極管流過負(fù)載；輸入為高電平時三極管截止，負(fù)載中無電流流過。

這兩種形式聽上去有點繞，其實只要掌握了一種的原理，另外一種就是相反的，很好記。

了解了開集輸出，那么開漏輸出也就很好理解了。它是指MOS管漏極開路輸出結(jié)構(gòu)。它也是分成兩種形式：

第一種是N溝道MOS開漏輸出，在電路未接入負(fù)載時，當(dāng)輸入信號為高電平時輸出為低電平；輸入為低電平時輸出為高阻態(tài)；當(dāng)接入負(fù)載時，當(dāng)輸入信號為高電平時MOS管導(dǎo)通，電流經(jīng)過負(fù)載流過MOS管；輸入為低電平時MOS管關(guān)斷，負(fù)載中無電流流過；

第二種是P溝道MOS開漏輸出，在電路未接入負(fù)載時，當(dāng)輸入信號為低電平時輸出為高電平；輸入為高電平時輸出為高阻態(tài)；當(dāng)接入負(fù)載時，當(dāng)輸入信號為低電平時MOS管導(dǎo)通，電流經(jīng)過MOS管流過負(fù)載；輸入為高電平時MOS管關(guān)斷，負(fù)載中無電流流過。

開集和開漏輸出結(jié)構(gòu)在輸出原理上是相通的，只是通過2中不同的器件來完成輸出，以上這兩種電路是用于負(fù)載驅(qū)動，電路的驅(qū)動能力取決于器件信號與電源功率。當(dāng)我們把負(fù)載電阻更換為上拉/下拉電阻，就可以讓這個電路作為電平轉(zhuǎn)換電路使用。

接下來說說推挽輸出，推挽輸出一般由2個三極管或2個MOS管組成，推挽輸出的特點就是驅(qū)動能力強，在不加外部負(fù)載時，可以正常輸出高電平和低電平，我們以三極管組成的推挽電路為例做電路分析，當(dāng)輸入信號為低電平時，Q3關(guān)斷，Q4導(dǎo)通，輸出為低電平；輸入為高電平時，Q3導(dǎo)通，Q4關(guān)斷，輸出為高電平。下圖為推挽輸出結(jié)構(gòu)圖：

這里有小伙伴就比較迷惑，既然推挽輸出的驅(qū)動輸出穩(wěn)定，而且驅(qū)動能力強，那為啥還要去用開集或開漏輸出結(jié)構(gòu)呢？他們應(yīng)用場合有什么區(qū)別呢？

舉兩種應(yīng)用場景，就知道他們的妙用了。第一種，以STM32的I/O端口位的基本結(jié)構(gòu)為例，下圖是單片機的I/O輸出結(jié)構(gòu)圖，由一個P-MOS與N-MOS組成，通過配置，可以通過控制P-MOS與N-MOS的導(dǎo)通，使輸出配置為開漏或推挽輸出。

當(dāng)P-MOS禁止時，輸出配置為開漏輸出，開漏模式一般應(yīng)用在I2C、SMBUS通訊等需要“線與”功能的總線電路中，除此之外，還用在電平不匹配的場合，如需要輸出5伏的高電平，就可以在外部接一個上拉電阻，上拉電源為5伏，把GPIO設(shè)置為開漏模式，由上拉電阻和電源向外輸出5伏的電平。當(dāng)P-MOS使能時，輸出配置為推挽輸出，這時候單片機就可以正常輸出高、低電平了。

I/O端口位的基本結(jié)構(gòu)

其實，對開集、開漏的使用，最大的應(yīng)用場景就是在工控場景的PLC系統(tǒng)里，不管是PLC的輸出，還是傳感器的輸出，大部分都采用的是開集輸出，這里使用開集輸出的原因就是可以實現(xiàn)不同傳感器電平的兼容，也可以實現(xiàn)傳感器并聯(lián)到同一個PLC的DI輸入點，如果傳感器采用推挽輸出，在一個PLC的DI輸入點上接入單個傳感器時，工作時沒問題的，當(dāng)將2個傳感器并聯(lián)到同一個PLC的DI輸入點，若一個傳感器輸出高電平，另外一個傳感器輸出低電平，這時候就會造成短路，損壞傳感器。

歐姆龍接近傳感器基本結(jié)構(gòu)

歐姆龍增量式編碼器基本結(jié)構(gòu)

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　　審核編輯：湯梓紅