opendrain(GPIO中Open-Drain與Push-Pull之間的區別是什么)

【Open-Drain與Push-Pull】
GPIO的功能,簡單說就是可以根據自己的需要去配置為輸入或輸出。(General Purpose Input Output,簡稱為GPIO或總線擴展器,利用工業標準I2C、SMBus?或SPI?接口簡化了I/O口的擴展。當微控制器或芯片組沒有足夠的I/O端口,或當系統需要采用遠端串行通信或控制時,GPIO產品能夠提供額外的控制和監視功能。)但是在配置GPIO管腳的時候,常會見到兩種模式:開漏(open-drain,漏極開路)和推挽(push-pull)。對此兩種模式,有何區別和聯系,下面整理了一些資料,來詳細解釋一下:

【Push-Pull推挽輸出】

原理:

輸出的器件是指輸出腳內部集成有一對互補的MOSFET,當Q1導通、Q2截止時輸出高電平;而當Q1截止導通、Q2導通時輸出低電平。Push-Pull輸出,實際上內部是用了兩個晶體管(transistor),此處分別稱為Top-Transistor和Bottom-Transistor。通過開關對應的晶體管,輸出對應的電平。Top-Transistor打開(Bottom-Transistor關閉),輸出為高電平;Bottom-Transistor打開(Top-Transistor關閉),輸出低電平。Push-pull即能夠漏電流(sink current),又可以集電流(source current)。其也許有,也許沒有另外一個狀態:高阻抗(high impedance)狀態。除非Push-pull需要支持額外的高阻抗狀態,否則不需要額外的上拉電阻。

特點:在CMOS電路里面應該叫CMOS輸出更合適,因為在CMOS里面的push-pull輸出能力不可能做得雙極那么大。輸出能力看IC內部輸出極N管P管的面積。push-pull是現在CMOS電路里面用得最多的輸出級設計方式。

優點:(1)可以吸電流,也可以貫電流;(2)和開漏輸出相比,push-pull的高低電平由IC的電源低定,不能簡單的做邏輯操作等。

缺點:一條總線上只能有一個push-pull輸出的器件;

【Open-Drain開漏輸出】

原理:

開漏電路就是指以MOSFET的漏極為輸出的電路。指內部輸出和地之間有個N溝道的MOSFET(Q1),這些器件可以用于電平轉換的應用。輸出電壓由Vcc決定。Vcc可以大于輸入高電平電壓VCC (call UP-Translate)也可以低于輸入高電平電壓VCC(call Down-Translate)
Open-Drain輸出,則是比push-pull少了個top transistor,只有那個bottom transistor。(就像push-pull中的那樣)當bottom transistor關閉,則輸出為高電平。此處沒法輸出高電平,想要輸出高電平,必須外部再接一個上拉電阻(pull-up resistor)。Open-drain只能夠漏電流(sink current),如果想要集電流(source current),則需要加一個上拉電阻。

優點:
(1)對于各種電壓節點間的電平轉換非常有用,可以用于各種電壓節點的Up-translate和Down-translate轉換
(2)可以將多個開漏輸出的Pin腳,連接到一條線上,形成“與邏輯”關系,即“線與”功能,任意一個變低后,開漏線上的邏輯就為0了。這也是I2C,SMBus等總線判斷總線占用狀態的原理。
(3)利用 外部電路的驅動能力,減少IC內部的驅動。當IC內部MOSFET導通時,驅動電流是從外部的VCC流經R pull-up ,MOSFET到GND。IC內部僅需很小的柵極驅動電流。
(4)可以利用改變上拉電源的電壓,改變傳輸電平,如圖, IC的邏輯電平由電源Vcc1決定,而輸出高電平則由Vcc2決定。這樣我們就可以用低電平邏輯控制輸出高電平邏輯了。

缺點:開漏Pin不連接外部的上拉電阻,則只能輸出低電平。當輸出電平為低時,N溝道三極管是導通的,這樣在Vcc'和GND之間有一個持續的電流流過上拉電阻R和三極管Q1。這會影響整個系統的功耗。采用較大值的上拉電阻可以減小電流。但是,但是大的阻值會使輸出信號的上升時間變慢。即上拉電阻R pull-up的阻值 決定了邏輯電平轉換的沿的速度。阻值越大,速度越低功耗越小。反之亦然。

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常見的GPIO的模式可以配置為open-drain或push-pull,具體實現上,常為通過配置對應的寄存器的某些位來配置為open-drain或是push-pull。當我們通過CPU去設置那些GPIO的配置寄存器的某位的時候,其GPIO硬件IC內部的實現是,會去打開或關閉對應的top transistor。相應地,如果設置為了Open-D模式的話,是需要上拉電阻才能實現,也能夠輸出高電平的。因此,如果硬件內部(internal)本身包含了對應的上拉電阻的話,此時會去關閉或打開對應的上拉電阻。如果GPIO硬件IC內部沒有對應的上拉電阻的話,那么你的硬件電路中,必須自己提供對應的外部(external)的上拉電阻。而push-pull輸出的優勢是速度快,因為線路是以兩種方式驅動的。而帶了上拉電阻的線路,即使以最快的速度去提升電壓,最快也要一個常量的R×C的時間。其中R是電阻,C是寄生電容(parasitic capacitance),包括了pin腳的電容和板子的電容。但是,push-pull相對的缺點是往往需要消耗更多的電流,即功耗相對大。而open-drain所消耗的電流相對較小,由電阻R所限制,而R不能太小,因為當輸出為低電平的時候,需要sink更低的transistor,這意味著更高的功耗。而open-drain的好處之一是,允許你short多個open-drain的電路,共用一個上拉電阻,此種做法稱為wired-OR連接,此時可以通過拉低任何一個IO的pin腳使得輸出為低電平。為了輸出高電平,則所有的都輸出高電平。此種邏輯,就是“線與”的功能,可以不需要額外的門電路來實現此部分邏輯。

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