开漏Open-drain和推挽push-pull详解-KIA MOS管
开漏Open-Drain
开漏输出:输出端相当于三极管的集电极,要得到高电平状态需要上拉电阻才行,适合于做电流型的驱动,其吸收电流的能力相对强(一般20mA以内)。
栅极输入 0 时,NMOS 的漏极和源极导通,输出0。
栅极输入 1 时,NMOS 不导通,漏极高阻,输出1(需要外部上拉电路,上升沿比较缓慢)。
推挽Push-Pull
推挽输出:可以输出高,低电平,连接数字器件。
栅极输入 0 时,高侧PMOS 高阻,低侧NMOS导通,输出0。
栅极输入 1 时,高侧PMOS 导通,低侧NMOS高阻,输出1(不需要外部上拉电路,上升沿比较陡峭)。
Open-Drain开漏输出
1、原理
开漏电路是指以MOSFET的漏极为输出的电路,在内部输出和地之间有个N沟道的MOSFET(Q1),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VCC (call UP-Translate),也可以低于输入高电平电压VCC(call Down-Translate),Open-Drain比push-pull少了个top transistor,只有bottom transistor。
就像push-pull中那样,当bottom transistor关闭,则输出为高电平,但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。
2、优点
(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-translate和Down-translate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,即“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I2C,SMBus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pull-up resistor,MOSFET到GND。IC内部仅需很小的栅极驱动电流。
(4)可以改变上拉电源的电压,改变传输电平,如图所示,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。
3、缺点
(1)开漏Pin不连接外部的上拉电阻,则只能输出低电平,如果要输出高电平,必需加上拉电阻。
(2)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。
(3)当输出电平为低时,N沟道三极管是导通的,这样在Vcc和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。但是大的阻值会使输出信号的上升时间变慢,即上拉电阻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。但上拉电阻不能太小,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。
Push-Pull推挽输出
1、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。
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-Transistor和Bottom-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。
2、优点
(1)可以吸电流,也可以贯电流;
(2)push-pull输出的优势是速度快,因为线路是以两种方式驱动的;
(3)和开漏输出相比,push-pull的高低电平由IC的电源决定,不能简单的做逻辑操作等。
3、缺点
(1)一条总线上只能有一个push-pull输出的器件;
(2)push-pull往往需要消耗更多的电流,即功耗相对大。
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