准双向口、开漏输出、推挽输出结构介绍

最近画的一块板子中用到了六路同相门芯片74HC07作为电平转换，将FPGA产生的3.3V信号转换为5V，但是没有注意到74HC07的输出是开漏结构（以为给74HC07一个5V电源就可以将输入的3.3V电平转换为5V电平输出……囧……，好吧我承认我是菜鸟），结果可想而知，板子拿回来完全不能用，只好用飞线给74HC07的几个输出口接了1K的上拉电阻，这样板子才正常工作了，但是板子上接了一堆的飞线，怎么看都觉得不爽，哎，都是这个开漏结构给害的……

于是乎，在做下一版之前，我仔细研究了一下这个开漏输出结构，发现芯片的IO口结构还是很有学问的，下面以51单片机的输出口结构为例，介绍一下常见的几种输出口结构：

1. 准双向口结构

准双向口，也就是说不是真正的双向口，真正意义上的双向口是需要通过设置专门的“输入输出方向寄存器”将IO口设为输入模式或者输出模式，才能实现对应的输入输出功能。而准双向口则不需要设置，作为输出时直接向口线寄存器写；作为输入时则需要先向IO口写1再去读。准双向口的内部电路结构如下如所示：

图1  准双向口内部电路结构

由图可以看出当口线寄存器为1时，左边的场效应管断开，右边的场效应管导通，于是输出被电源上拉为1，输出高电平；当口线寄存器为0时，左边的管子导通，右边的管子截止，输出管脚相当于直接通过左边的管子接地，输出低电平。在读取数据时，如果口线寄存器的值为1，当管脚接低电平时，采集到时输入数据为1，反之为0，这种情况下是可以正确的读取数据的，但是如果口线寄存器的值为0 ，则左边的场效应管导通，输出相当于直接与地线相连，此时无论外部输入为高电平还是低电平，采集到的输入数据都是0，这样就不能正确的读取数据了。所以对于准双向口，作为输入口使用时，必须先向该IO口写1，再读取，这就是准双向口的特点。

2.开漏输出结构

开漏（open drain），这里的“漏”指的是场效应管的漏极（drain），对应于三极管的集电极（collector），开漏就是指场效应管的漏极保持开路，直接接出作为输出口，如下图所示：

图2  开漏输出结构

从图中可以看出，当口线寄存器为0时，管子导通，输出直接通过管子接地，输出低电平；当口线寄存器为1时，管子截止，输出脚相当于悬空，为高阻态，因此开漏输出接口不能够正确的输出高低电平。对于开漏输出结构，输出必须接上拉电阻，才能够正常使用，如下图所示：

图3  开漏输出结构加上拉电阻

外接了上拉电阻后，当口线寄存器为0时，输出被电源上拉为高电平，口线寄存器为0时，输出口通过管子直接接地，为低电平，这样就可以正确的读取外部数据了。

很多芯片都提供开漏输出结构，这是因为开漏输出结构有很多优点：

a. 充分利用外部电路的驱动能力，减小芯片内部的驱动，从而降低芯片的功耗，提高芯片工作稳定性

b. 可以通过改变上拉电源的电压，改变信号的传输电平，比如某芯片的输出为3.3V电平，其输出口的上拉电源可以为5V，这样就很方便的实现了电平转换。

当然，开漏输出也存在明显的缺点：在输出脉冲信号时，在脉冲的上升沿，电源通过上拉无源电阻对负载充电，其速度较慢，导致上升时间变长，因而会导致脉冲上升沿变坏，上拉电阻阻值越大，充电时间就越长，因此其速度越慢，而阻值较小时，其功耗又会变大，因此在设计时要兼顾速度和功耗。而对于下降沿，电源通过芯片内部的场效应管放电，其速度较快，所以上拉电阻对脉冲的下降沿影响不大，某些情况下可以考虑用下降沿输出。

3.推挽输出

推挽输出也是一种很常见的输出结构，其内部电路结构如图所示：

图4  推挽输出结构

与准双向口类似，只是右边的场效应管为强上拉作用，因而输出电流较大，适用于需要大电流驱动的场合。在使用推挽结构时，要注意不要将两个IO口短接，因为如果一个IO口为高电平而另外一个为低电平时，会有很大的电流流入芯片，可能烧坏芯片。

总之呢，在使用一些不熟悉的芯片时，一定要注意其IO口的结构，根据IO口结构设计合适的电路，以免出现一些意想不到的错误。