集電極開路輸出和漏極開路輸出

　　一、集電極開路輸出

　　1、集電極開路輸出原理

　　在電路中常會遇到漏極開路（Open Drain）和集電極開路（Open Collector）兩種情形。漏極開路電路概念中提到的“漏”是指 MOSFET的漏極。同理，集電極開路電路中的“集”就是指三極管的集電極。在數字電路中，分別簡稱OD門和OC門。

　　集電極開路電路是灌電流輸出器件。在關斷狀態時，集電極開路輸出連到地；在導通狀態時，集電極開路輸出懸空。因此，集電極開路輸出需要一個源電流輸入接口。下面表格中給出了一個簡單的集電極開路輸出電路的原理圖。

　　典型的集電極開路電路如下圖所示。電路中右側的三極管集電極什么都不接，所以叫做集電極開路，左側的三極管用于反相作用，即左側輸入“0”時左側三極管截止，VCC通過電阻加到右側三極管基極，右側三極管導通，右側輸出端連接到地，輸出“0”。

　　從圖中電路可以看出集電極開路是無法輸出高電平的，如果要想輸出高電平可以在輸出端加上上拉電阻。因此集電極開路輸出可以用做電平轉換，通過上拉電阻上拉至不同的電壓，來實現不同的電平轉換。

　　用做驅動器。由于OC門電路的輸出管的集電極懸空，使用時需外接一個上拉電阻Rp到電源VCC。OC門使用上拉電阻以輸出高電平，此外為了加大輸出引腳的驅動能力，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當足夠大；從確保足夠的驅動電流考慮應當足夠小。

　　將OC門輸出連在一起時，再通過一個電阻接外電源，可以實現“線與”邏輯關系。只要電阻的阻值和外電源電壓的數值選擇得當，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載電流又不至于過大。

　　集電極開路輸出除了可以實現多門的線與邏輯關系外，通過使用大功率的三極管還可用于直接驅動較大電流的負載，如繼電器、脈沖變壓器、指示燈等。

　　2、集電極開路輸出的應用

　　應用一：

　　實現與或非邏輯，用做電平轉換，用做驅動器。由于OC門電路的輸出管的集電極懸空，使用時需外接一個上拉電阻Rp到電源VCC。OC門使用上拉電阻以輸出高電平，此外為了加大輸出引腳的驅動能力，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當足夠大；從確保足夠的驅動電流考慮應當足夠小。

　　應用二：

　　線與邏輯，即兩個輸出端（包括兩個以上）直接互連就可以實現“AND”的邏輯功能。在總線傳輸等實際應用中需要多個門的輸出端并聯連接使用，而一般TTL門輸出端并不能直接并接使用，否則這些門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門或三態門（ST門）來實現。 用OC門實現線與，應同時在輸出端口應加一個上拉電阻。

　　應用三：

　　三態門（TS門）主要用在應用于多個門輸出共享數據總線，為避免多個門輸出同時占用數據總線，這些門的使能信號（EN）中只允許有一個為有效電平（如高電平），由于三態門的輸出是推拉式的低阻輸出，且不需接上拉（負載）電阻，所以開關速度比OC門快，常用三態門作為輸出緩沖器。

　　二、漏極開路輸出

　　1、漏極開路輸出原理

　　和集電極開路一樣，顧名思義，開漏電路就是指從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。完整的開漏電路應由開漏器件和開漏上拉電阻組成。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要兼顧功耗和速度。標準的開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。

　　很多單片機等器件的I/O就是漏極開路形式，或者可以配置成漏極開路輸出形式，如51單片機的P0口就為漏極開路輸出。在實際應用中可以將多個開漏輸出的引腳連接到一條線上，這樣就形成“線與邏輯”關系。注意這個公共點必須接一個上拉電阻。當這些引腳的任一路變為邏輯0后，開漏線上的邏輯就為0了。在I2C等接口總線中就用此法判斷總線占用狀態。

　　同集電極開路一樣，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流經上拉電阻，再經MOSFET到GND。IC內部僅需很下的柵極驅動電流，因此漏極開路也常用于驅動電路中。

　　2、特點

　　1）利用外部電路的驅動能力，減少ic內部的驅動。 或驅動比芯片電源電壓高的負載。

　　2）可以將多個開漏輸出的pin，連接到一條線上。通過一只上拉電阻，在不增加任何器件的情況下，形成“與邏輯”關系。這也是i2c，smbus等總線判斷總線占用狀態的原理。如果作為圖騰輸出必須接上拉電阻。接容性負載時，下降沿是芯片內的晶體管，是有源驅動，速度較快；上升延是無源的外接電阻，速度慢。如果要求速度高電阻選擇要小，功耗會大。所以負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）開漏pin不連接外部的上拉電阻，則只能輸出低電平。一般來說，開漏是用來連接不同電平的器件，匹配電平用的。

　　5）正常的cmos輸出級是上、下兩個管子，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：電平轉換和線與。

　　6）由于漏級開路，所以后級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。這樣你就可以進行任意電平的轉換了。

　　7）線與功能主要用于有多個電路對同一信號進行拉低操作的場合，如果本電路不想拉低，就輸出高電平，因為open-drain上面的管子被拿掉，高電平是靠外接的上拉電阻實現的。（而正常的cmos輸出級，如果出現一個輸出為高另外一個為低時，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，就是帶來上升沿的延時。因為上升沿是通過外接上拉無源電阻對負載充電，所以當電阻選擇小時延時就小，但功耗大；反之延時大功耗小。所以如果對延時有要求，則建議用下降沿輸出。

　　3、什么是線或邏輯與線與邏輯？

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

　　因為這些晶體管的基極注入電流（npn）或柵極加上高電平（nmos）， 晶體管就會飽和， 所以這些基極或柵極對這個結點（線）的關系是或非 nor 邏輯。 如果這個結點后面加一個反相器， 就是或 or 邏輯。

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

　　如果用下拉電阻和 pnp 或 pmos 管就可以構成與非 nand 邏輯， 或用負邏輯關系轉換與/或邏輯。

　　注：線或，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路 oc 或源極開路 od 輸出端。 這種邏輯通常稱為線與/線或邏輯， 當你看到一些芯片的 oc 或 od 輸出端連在一起， 而有一個上拉電阻時， 這就是線或/線與了， 但有時上拉電阻做在芯片的輸入端內。

　　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 bus 上的雙向輸出端連在一起是有管理的， 同時只能有一個作輸出， 而其他是高阻態只能輸入。