一、集電極開(kāi)路輸出

　　1、集電極開(kāi)路輸出原理

　　在電路中常會(huì)遇到漏極開(kāi)路（Open Drain）和集電極開(kāi)路（Open Collector）兩種情形。漏極開(kāi)路電路概念中提到的“漏”是指 MOSFET的漏極。同理，集電極開(kāi)路電路中的“集”就是指三極管的集電極。在數(shù)字電路中，分別簡(jiǎn)稱(chēng)OD門(mén)和OC門(mén)。

　　集電極開(kāi)路電路是灌電流輸出器件。在關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，集電極開(kāi)路輸出連到地；在導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，集電極開(kāi)路輸出懸空。因此，集電極開(kāi)路輸出需要一個(gè)源電流輸入接口。下面表格中給出了一個(gè)簡(jiǎn)單的集電極開(kāi)路輸出電路的原理圖。

　　典型的集電極開(kāi)路電路如下圖所示。電路中右側(cè)的三極管集電極什么都不接，所以叫做集電極開(kāi)路，左側(cè)的三極管用于反相作用，即左側(cè)輸入“0”時(shí)左側(cè)三極管截止，VCC通過(guò)電阻加到右側(cè)三極管基極，右側(cè)三極管導(dǎo)通，右側(cè)輸出端連接到地，輸出“0”。

　　從圖中電路可以看出集電極開(kāi)路是無(wú)法輸出高電平的，如果要想輸出高電平可以在輸出端加上上拉電阻。因此集電極開(kāi)路輸出可以用做電平轉(zhuǎn)換，通過(guò)上拉電阻上拉至不同的電壓，來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的電平轉(zhuǎn)換。

　　用做驅(qū)動(dòng)器。由于OC門(mén)電路的輸出管的集電極懸空，使用時(shí)需外接一個(gè)上拉電阻Rp到電源VCC。OC門(mén)使用上拉電阻以輸出高電平，此外為了加大輸出引腳的驅(qū)動(dòng)能力，上拉電阻阻值的選擇原則，從降低功耗及芯片的灌電流能力考慮應(yīng)當(dāng)足夠大；從確保足夠的驅(qū)動(dòng)電流考慮應(yīng)當(dāng)足夠小。

　　將OC門(mén)輸出連在一起時(shí)，再通過(guò)一個(gè)電阻接外電源，可以實(shí)現(xiàn)“線(xiàn)與”邏輯關(guān)系。只要電阻的阻值和外電源電壓的數(shù)值選擇得當(dāng)，就能做到既保證輸出的高、低電平符合要求，而且輸出三極管的負(fù)載電流又不至于過(guò)大。

　　集電極開(kāi)路輸出除了可以實(shí)現(xiàn)多門(mén)的線(xiàn)與邏輯關(guān)系外，通過(guò)使用大功率的三極管還可用于直接驅(qū)動(dòng)較大電流的負(fù)載，如繼電器、脈沖變壓器、指示燈等。

　　2、集電極開(kāi)路輸出的應(yīng)用

　　應(yīng)用一：

　　實(shí)現(xiàn)與或非邏輯，用做電平轉(zhuǎn)換，用做驅(qū)動(dòng)器。由于OC門(mén)電路的輸出管的集電極懸空，使用時(shí)需外接一個(gè)上拉電阻Rp到電源VCC。OC門(mén)使用上拉電阻以輸出高電平，此外為了加大輸出引腳的驅(qū)動(dòng)能力，上拉電阻阻值的選擇原則，從降低功耗及芯片的灌電流能力考慮應(yīng)當(dāng)足夠大；從確保足夠的驅(qū)動(dòng)電流考慮應(yīng)當(dāng)足夠小。

　　應(yīng)用二：

　　線(xiàn)與邏輯，即兩個(gè)輸出端（包括兩個(gè)以上）直接互連就可以實(shí)現(xiàn)“AND”的邏輯功能。在總線(xiàn)傳輸?shù)葘?shí)際應(yīng)用中需要多個(gè)門(mén)的輸出端并聯(lián)連接使用，而一般TTL門(mén)輸出端并不能直接并接使用，否則這些門(mén)的輸出管之間由于低阻抗形成很大的短路電流（灌電流），而燒壞器件。在硬件上，可用OC門(mén)或三態(tài)門(mén)（ST門(mén)）來(lái)實(shí)現(xiàn)。 用OC門(mén)實(shí)現(xiàn)線(xiàn)與，應(yīng)同時(shí)在輸出端口應(yīng)加一個(gè)上拉電阻。

　　應(yīng)用三：

　　三態(tài)門(mén)（TS門(mén)）主要用在應(yīng)用于多個(gè)門(mén)輸出共享數(shù)據(jù)總線(xiàn)，為避免多個(gè)門(mén)輸出同時(shí)占用數(shù)據(jù)總線(xiàn)，這些門(mén)的使能信號(hào)（EN）中只允許有一個(gè)為有效電平（如高電平），由于三態(tài)門(mén)的輸出是推拉式的低阻輸出，且不需接上拉（負(fù)載）電阻，所以開(kāi)關(guān)速度比OC門(mén)快，常用三態(tài)門(mén)作為輸出緩沖器。

　　二、漏極開(kāi)路輸出

　　1、漏極開(kāi)路輸出原理

　　和集電極開(kāi)路一樣，顧名思義，開(kāi)漏電路就是指從MOSFET的漏極輸出的電路。典型的用法是在漏極外部的電路添加上拉電阻到電源如圖所示。完整的開(kāi)漏電路應(yīng)由開(kāi)漏器件和開(kāi)漏上拉電阻組成。這里的上拉電阻R的阻值決定了邏輯電平轉(zhuǎn)換的上升/下降沿的速度。阻值越大，速度越低，功耗越小。因此在選擇上拉電阻時(shí)要兼顧功耗和速度。標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)漏腳一般只有輸出的能力。添加其它的判斷電路，才能具備雙向輸入、輸出的能力。

　　很多單片機(jī)等器件的I/O就是漏極開(kāi)路形式，或者可以配置成漏極開(kāi)路輸出形式，如51單片機(jī)的P0口就為漏極開(kāi)路輸出。在實(shí)際應(yīng)用中可以將多個(gè)開(kāi)漏輸出的引腳連接到一條線(xiàn)上，這樣就形成“線(xiàn)與邏輯”關(guān)系。注意這個(gè)公共點(diǎn)必須接一個(gè)上拉電阻。當(dāng)這些引腳的任一路變?yōu)檫壿?后，開(kāi)漏線(xiàn)上的邏輯就為0了。在I2C等接口總線(xiàn)中就用此法判斷總線(xiàn)占用狀態(tài)。

　　同集電極開(kāi)路一樣，利用外部電路的驅(qū)動(dòng)能力，減少IC內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)。當(dāng)IC內(nèi)部MOSFET導(dǎo)通時(shí)，驅(qū)動(dòng)電流是從外部的VCC流經(jīng)上拉電阻，再經(jīng)MOSFET到GND。IC內(nèi)部?jī)H需很下的柵極驅(qū)動(dòng)電流，因此漏極開(kāi)路也常用于驅(qū)動(dòng)電路中。

　　2、特點(diǎn)

　　1）利用外部電路的驅(qū)動(dòng)能力，減少ic內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)。 或驅(qū)動(dòng)比芯片電源電壓高的負(fù)載。

　　2）可以將多個(gè)開(kāi)漏輸出的pin，連接到一條線(xiàn)上。通過(guò)一只上拉電阻，在不增加任何器件的情況下，形成“與邏輯”關(guān)系。這也是i2c，smbus等總線(xiàn)判斷總線(xiàn)占用狀態(tài)的原理。如果作為圖騰輸出必須接上拉電阻。接容性負(fù)載時(shí)，下降沿是芯片內(nèi)的晶體管，是有源驅(qū)動(dòng)，速度較快；上升延是無(wú)源的外接電阻，速度慢。如果要求速度高電阻選擇要小，功耗會(huì)大。所以負(fù)載電阻的選擇要兼顧功耗和速度。

　　3）可以利用改變上拉電源的電壓，改變傳輸電平。例如加上上拉電阻就可以提供ttl/cmos電平輸出等。

　　4）開(kāi)漏pin不連接外部的上拉電阻，則只能輸出低電平。一般來(lái)說(shuō)，開(kāi)漏是用來(lái)連接不同電平的器件，匹配電平用的。

　　5）正常的cmos輸出級(jí)是上、下兩個(gè)管子，把上面的管子去掉就是open-drain了。這種輸出的主要目的有兩個(gè)：電平轉(zhuǎn)換和線(xiàn)與。

　　6）由于漏級(jí)開(kāi)路，所以后級(jí)電路必須接一上拉電阻，上拉電阻的電源電壓就可以決定輸出電平。這樣你就可以進(jìn)行任意電平的轉(zhuǎn)換了。

　　7）線(xiàn)與功能主要用于有多個(gè)電路對(duì)同一信號(hào)進(jìn)行拉低操作的場(chǎng)合，如果本電路不想拉低，就輸出高電平，因?yàn)閛pen-drain上面的管子被拿掉，高電平是靠外接的上拉電阻實(shí)現(xiàn)的。（而正常的cmos輸出級(jí)，如果出現(xiàn)一個(gè)輸出為高另外一個(gè)為低時(shí)，等于電源短路。）

　　8）open-drain提供了靈活的輸出方式，但是也有其弱點(diǎn)，就是帶來(lái)上升沿的延時(shí)。因?yàn)樯仙厥峭ㄟ^(guò)外接上拉無(wú)源電阻對(duì)負(fù)載充電，所以當(dāng)電阻選擇小時(shí)延時(shí)就小，但功耗大；反之延時(shí)大功耗小。所以如果對(duì)延時(shí)有要求，則建議用下降沿輸出。

　　3、什么是線(xiàn)或邏輯與線(xiàn)與邏輯？

　　在一個(gè)結(jié)點(diǎn)（線(xiàn)）上， 連接一個(gè)上拉電阻到電源 vcc 或 vdd 和 n 個(gè) npn 或 nmos 晶體管的集電極 c 或漏極 d， 這些晶體管的發(fā)射極 e 或源極 s 都接到地線(xiàn)上， 只要有一個(gè)晶體管飽和， 這個(gè)結(jié)點(diǎn)（線(xiàn)）就被拉到地線(xiàn)電平上。

　　因?yàn)檫@些晶體管的基極注入電流（npn）或柵極加上高電平（nmos）， 晶體管就會(huì)飽和， 所以這些基極或柵極對(duì)這個(gè)結(jié)點(diǎn)（線(xiàn)）的關(guān)系是或非 nor 邏輯。 如果這個(gè)結(jié)點(diǎn)后面加一個(gè)反相器， 就是或 or 邏輯。

　　注：個(gè)人理解：線(xiàn)與，接上拉電阻至電源。（~a）&（~b）=~（a+b），由公式較容易理解線(xiàn)與此概念的由來(lái)；

　　如果用下拉電阻和 pnp 或 pmos 管就可以構(gòu)成與非 nand 邏輯， 或用負(fù)邏輯關(guān)系轉(zhuǎn)換與/或邏輯。

　　注：線(xiàn)或，接下拉電阻至地。（~a）+（~b）=~（ab）;

　　這些晶體管常常是一些邏輯電路的集電極開(kāi)路 oc 或源極開(kāi)路 od 輸出端。 這種邏輯通常稱(chēng)為線(xiàn)與/線(xiàn)或邏輯， 當(dāng)你看到一些芯片的 oc 或 od 輸出端連在一起， 而有一個(gè)上拉電阻時(shí)， 這就是線(xiàn)或/線(xiàn)與了， 但有時(shí)上拉電阻做在芯片的輸入端內(nèi)。

　　順便提示如果不是 oc 或 od 芯片的輸出端是不可以連在一起的， 總線(xiàn) bus 上的雙向輸出端連在一起是有管理的， 同時(shí)只能有一個(gè)作輸出， 而其他是高阻態(tài)只能輸入。