【整理】open-drain, push-pull，MOSFET, MOS管，三极管等基础知识

【整理】open-drain, push-pull，MOSFET, MOS管，三极管等基础知识

版本：v20110804

作者：crifan

邮箱：green-waste (at) a163.com

【open-drain与push-pull】

GPIO的功能，简单说就是可以根据自己的需要去配置为输入或输出。但是在配置GPIO管脚的时候，常会见到两种模式：开漏（open-drain，漏极开路）和推挽（push-pull）。

对此两种模式，有何区别和联系，下面整理了一些资料，来详细解释一下：

图表 1 Push-Pull对比Open-Drain

	Push-Pull推挽输出	Open-Drain开漏输出
原理	输出的器件是指输出脚内部集成有一对互补的MOSFET，当Q1导通、Q2截止时输出高电平；而当Q1截止导通、Q2导通时输出低电平	开漏电路就是指以MOSFET的漏极为输出的电路。指内部输出和地之间有个N沟道的MOSFET（Q1），这些器件可以用于电平转换的应用。输出电压由Vcc’决定。Vcc’可以大于输入高电平电压VCC（up－translate）也可以低于输入高电平电压VCC（down－translate）。
某老外的更加透彻的解释	Push-pull输出，实际上内部是用了两个晶体管（transistor），此处分别称为top transistor和bottom transistor。通过开关对应的晶体管，输出对应的电平。 top transistor打开（bottom transistor关闭），输出为高电平； bottom transistor打开（top transistor关闭），输出低电平。 Push-pull即能够漏电流（sink current），又可以集电流（source current）。其也许有，也许没有另外一个状态：高阻抗（high impedance）状态。除非Push-pull需要支持额外的高阻抗状态，否则不需要额外的上拉电阻。	Open-drain输出，则是比push-pull 少了个top transistor，只有那个bottom transistor。（就像push-pull中的那样）当bottom transistor关闭，则输出为高电平。此处没法输出高电平，想要输出高电平，必须外部再接一个上拉电阻（pull-up resistor）。 Open-drain只能够漏电流（sink current），如果想要集电流（source current），则需要加一个上拉电阻。
某老外的更加透彻的解释	常见的GPIO的模式可以配置为open-drain或push-pull，具体实现上，常为通过配置对应的寄存器的某些位来配置为open-drain或是push-pull。当我们通过CPU去设置那些GPIO的配置寄存器的某位（bit）的时候，其GPIO硬件IC内部的实现是，会去打开或关闭对应的top transistor。相应地，如果设置为了open-d模式的话，是需要上拉电阻才能实现，也能够输出高电平的。因此，如果硬件内部（internal）本身包含了对应的上拉电阻的话，此时会去关闭或打开对应的上拉电阻。如果GPIO硬件IC内部没有对应的上拉电阻的话，那么你的硬件电路中，必须自己提供对应的外部（external）的上拉电阻。而push-pull输出的优势是速度快，因为线路（line）是以两种方式驱动的。而带了上拉电阻的线路，即使以最快的速度去提升电压，最快也要一个常量的R×C的时间。其中R是电阻，C是寄生电容（parasitic capacitance），包括了pin脚的电容和板子的电容。但是，push-pull相对的缺点是往往需要消耗更多的电流，即功耗相对大。而open-drain所消耗的电流相对较小，由电阻R所限制，而R不能太小，因为当输出为低电平的时候，需要sink更低的transistor，这意味着更高的功耗。（此段原文：because the lower transistor has to sink that current when the output is low; that means higher power consumption.）而open-drain的好处之一是，允许你cshort（？）多个open-drain的电路，公用一个上拉电阻，此种做法称为wired-OR连接，此时可以通过拉低任何一个IO的pin脚使得输出为低电平。为了输出高电平，则所有的都输出高电平。此种逻辑，就是“线与”的功能，可以不需要额外的门（gate）电路来实现此部分逻辑。
原理图	图表 2 push-pull原理图	图表 3 open-drain原理图图表 4 open-drain“线与”功能
优点	（1）可以吸电流，也可以贯电流；（2）和开漏输出相比，push－pull的高低电平由IC的电源低定，不能简单的做逻辑操作等。	（1）对于各种电压节点间的电平转换非常有用，可以用于各种电压节点的Up-translate和down－translate转换（2）可以将多个开漏输出的Pin脚，连接到一条线上，形成“与逻辑”关系,即“线与”功能，任意一个变低后，开漏线上的逻辑就为0了。这也是I2C，SMBus等总线判断总线占用状态的原理。（3）利用外部电路的驱动能力，减少IC内部的驱动。当IC内部MOSFET导通时，驱动电流是从外部的VCC流经R pull-up ，MOSFET到GND。IC内部仅需很下的栅极驱动电流。（4）可以利用改变上拉电源的电压，改变传输电平：图表 5 open-drain输出电平的原理 IC的逻辑电平由电源Vcc1决定，而输出高电平则由Vcc2决定。这样我们就可以用低电平逻辑控制输出高电平逻辑了。
缺点	一条总线上只能有一个push-pull输出的器件；	开漏Pin不连接外部的上拉电阻，则只能输出低电平。当输出电平为低时，N沟道三极管是导通的，这样在Vcc’和GND之间有一个持续的电流流过上拉电阻R和三极管Q1。这会影响整个系统的功耗。采用较大值的上拉电阻可以减小电流。但是，但是大的阻值会使输出信号的上升时间变慢。即上拉电阻R pull-up的阻值决定了逻辑电平转换的沿的速度。阻值越大，速度越低功耗越小。反之亦然。
特点	在CMOS电路里面应该叫CMOS输出更合适，因为在CMOS里面的push－pull输出能力不可能做得双极那么大。输出能力看IC内部输出极N管P管的面积。 push－pull是现在CMOS电路里面用得最多的输出级设计方式。

【open-drain和push-pull的总结】

对于GPIO的模式的设置，在不考虑是否需要额外的上拉电阻的情况下，是设置为open-drain还是push-pull，说到底，还是个权衡的问题：

如果你想要电平转换速度快的话，那么就选push-pull，但是缺点是功耗相对会大些。

如果你想要功耗低，且同时具有“线与”的功能，那么就用open-drain的模式。（同时注意GPIO硬件模块内部是否有上拉电阻，如果没有，需要硬件电路上添加额外的上拉电阻）

正所谓，转换速度与功耗，是鱼与熊掌，二则不可兼得焉。

【MOS管的分类】

图表 6 MOS管分类

MOS管	JFET (结型场效应管)
	MOSFET (金属绝缘栅型场效应管)	N(Negative) 沟道	增强型
			耗尽型
		P(Positive) 沟道	增强型
			耗尽型

MOSFET是在JFET基础上发展起来的，两者结构上存在一些差异，但使用方法和特点基本类似。

【MOS管和三极管的比较】

图表 7 MOS管和三极管的比较

	MOS管			三极管
控制方式	电压控制器件			电流控制器件
输入阻抗	特别高			相对小
输出电阻	小		驱动能力强	相对大
截止频率	高			低
通过电流能力	强		功率大，要找一个小电流的MOS很不容易	弱
稳定性	好		可以工作在极高的频率下	相对不好
击穿电压	低		非常容易受静电影响，管脚不用的话一定要接地或者接电源。	高	有些管脚不用的话，把脚悬空都问题不大
易用性	不好	用法要稍微复杂一点，比如P沟道的MOS管，需要负电压来控制，相对三极管中的PNP管，明显要复杂得多。		好	电子初学者中熟悉三极管用过三极管的要远远多于熟悉MOS管的，小功率塑封三极管比如9000系列，8050，8550之类的非常容易买到，而且价格便宜，在信号放大和简单开关方面都用得很多，也非常方便。
总结	现在的集成电路多半使用MOS为基础