推挽輸出又叫推拉輸出,是最常見的輸出配置了,正如它的名字那樣,推拉輸出能夠驅動輸出兩種電平。一種是拉接到地(從負載灌入電流),另一個被推到電源電壓(輸出電流到負載)。推挽輸出可以使用一對開關來實現。在集成電路中一般使用兩個晶體管搭建。在下圖中,我們可以看到使用 PMOS 和 NMOS 晶體管構建推挽輸出配置。左側顯示的是推階段的電路狀態,右側顯示的是拉階段的電路狀態。
1.推挽電路工作原理
推動階段——當連接到晶體管柵極的內部信號設置為低電平時,PMOS 晶體管被激活,電流從 VDD 流經它到輸出引腳,NMOS 晶體管處于非活動狀態(開路)且不導通。
拉動階段——當連接到晶體管柵極的內部信號設置為高電平時,NMOS 晶體管被激活(關閉)并且電流開始從輸出引腳流過它到 GND。同時,PMOS 晶體管處于非活動狀態(開路)并且不傳導電流。這種類型的輸出不允許在總線配置中將多個設備連接在一起,推挽配置最常用于具有單向通信線上(線路上的信號傳輸僅在單一方向,比如SPI、UART等)。
2.電路應用注意事項
推挽輸出在生成的輸出數字信號的斜率方面提供了更好的性能,現在很多IC甚至可以配置信號上升或者下降的斜率,從而允許我們在傳輸速度和EMI方面找到最佳的平衡點。上升沿斜率——上拉電阻與線路的固有電容相結合,形成一個低通濾波器。從而我們可以根據電阻器的值和線路的電容來調整上升沿斜率,上升沿的斜率與下降沿的斜率可能存在明顯差異。一般來說下降沿更尖銳,因為它是使用具有非常低內阻的晶體管實現的。而上升沿是由上拉電阻形成的,前面提到的低通濾波效果更加明顯。
圖 1 開漏輸出產生的方波信號邊沿
功耗和噪聲干擾——在選擇上拉電阻值時我們需要權衡。當線路上的設備驅動輸出低電平時,它會導致較高的電流流過較低值的上拉電阻,這會增加功耗的問題。但是,選擇較高值的電阻器會反過來導致流過電阻器的電流較低,這將使線路上的外部干擾(噪聲)更容易影響信號狀態。應該注意的是,在很多MCU中,配置為推挽的輸出引腳在大多數情況下可以動態重新配置為輸入,這是通過關閉兩個晶體管來實現的,從而在線路上實現高阻抗狀態。然后可以從其他外部設備采集輸入信號。
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