上拉电阻分析.pdf

我们先来说说集电极开路输出的结构。集电极开路输出的结构如图1所示， 右边的那个三极管集电极什么都不接，所以叫做集电极开路（左边的三极管为 反相之用，使输入为“0”时，输出也为“0”）。对于图 1，当左端的输入为 “0”时，前面的三极管截止（即集电极c跟发射极e之间相当于断开），所以 5v电源通过1k电阻加到右边的三极管上，右边的三极管导通（即相当于一个 开关闭合）；当左端的输入为“1”时，前面的三极管导通，而后面的三极管截 止（相当于开关断开）。 三极管状态解说 我们将图1简化成图2的样子。图2中的开关受软件控制，“1”时断开，“0” 时闭合。很明显可以看出，当开关闭合时，输 出直接接地，所以输出电平为0。 而当开关断开时，则输出端悬空了，即高阻态。这时电平状态未知，如果后面 一个电阻负载（即使很轻的负载）到地，那么输出端 的电平就被这个负载拉 到低电平了，所以这个电路是不能输出高电平的。 再看图3，图3中那个1k的电阻即是上拉电阻。如果开关闭合，则有电流从1k 电阻及开关上流过，但由于开关闭和时电阻为0（方便我们的讨论，实际情况 中开 关电阻不为0，另外对于三极管还存在饱和压降），所以在开关上的电压 为0，即输出电平为0。如果开关断开，则由于开关电阻为无穷大（同上，不考 虑实际中的 漏电流），所以流过的电流为0，因此在1k 电阻上的压降也为0， 所以输出端的电压就是5v了，这样就能输出高电平了。但是这个输出的内阻是 比较大的（即1kω），如果接一个电阻为r的负载，通过分 压计算，就可以算 得最后的输出电压为5*r/(r+1000)伏，即5/(1+1000/r)伏。所以，如果要达到 一定的电压的话，r就不能太小。如果r 真的太小，而导致输出电压不够的话， 那我们只有通过减小那个1k的上拉电阻来增加驱动能力。但是，上拉电阻又不 能取得太小，因为当开关闭合时，将产生电 流，由于开关能流过的电流是有 限的，因此限制了上拉电阻的取值，另外还需要考虑到，当输出低电平时，负 载可能还会给提供一部分电流从开关流过，因此要综合 这些电流考虑来选择 合适的上拉电阻。 如果我们将一个读数据用的输入端接在输出端，这样就是一个io口了（51的 io口就是这样的结构，其中p0口内部不带上拉，而其它三个口带内部上拉）， 当我们要使用输入功能时，只要将输出口设置为1即可，这样就相当于那个开 关断开，而对于p0口来说，就是高阻态了。 对于漏极开路（od）输出，跟集电极开路输出是十分类似的。将上面的三极管 换成场效应管即可。这样集电极就变成了漏极，oc就变成了od，原理分析是 一样的。 另一种输出结构是推挽输出。推挽输出的结构就是把上面的上拉电阻也换成一 个开关，当要输出高电平时，上面的开关通，下面的开关断；而要输出低电平 时，则刚好相反。比起oc或者od来说，这样的推挽结构高、低电平驱动能力 都很强。 如果两个输出不同电平的输出口接在一起的话，就会产生很大的电 流，有可能将输出口烧坏。而上面说的oc或od输出则不会有这样的情况，因 为上拉电阻提供的 电流比较小。如果是推挽输出的要设置为高阻态时，则两 个开关必须同时断开（或者在输出口上使用一个传输门），这样可作为输入状 态，avr单片机的一些io 口就是这种结构。 单片机内部的逻辑经过内部的逻辑运算后需要输出到外面，外面的器件可能需 要较大的电流才能推动，因此在单片机的输出端口必须有一个驱动电路。这种 驱动电路有两种形式： 其中的一种是采用一只N型三极管（npn或n沟道），以npn三极管为例，就是 e接地，b接内部的逻辑运算，c引出，b受内部驱动可以控制三极管是否导通 但如果三极管的c极一直悬空，尽管b极上发生高低变化，c极上也不会有高 低变化，因此在这种条件下必须在外部提供一个电阻，电阻的一端接c(引出脚） 另一 端接电源，这样当三极管的b有高电压是三极管导通，c电压为低，当b 为低电压时三极管不通，c极在电阻的拉动下为高电压，这种驱动电路有个特 点：低电压是 三极管驱动的，高电压是电阻驱动的（上下不对称），三极管导 通时的ec内阻很小，因此可以提供很大的电流，可以直接驱动 led甚至继电 器，但电阻的驱动是 有限的，最大高电平输出电流=(vcc-Vh)/r； 另一种是互补推挽输出，采用2只晶体管，一只在上一只在下，上面的一只是n 型，下面为p型（以三极管为例），两只管子的连接为：npn（上）的c连 vcc， pnp（下）的c接地，两只管子的ee,bb相连，其中ee作为输出（引出脚）， bb接内部逻辑，这个