推挽输出与开漏输出详解

推挽输出与开漏输出详解

在使用MCU（微控制器）时，经常会遇到需要配置IO口为推挽输出或开漏输出的情况。本文以STM32为例，详细介绍了这两种输出模式的工作原理、应用场景以及相关注意事项。

在使用MCU时，常看到配置IO口为推挽输出、开漏输出，以STM32为例，IO口有以下几种模式，单片机的内部电路简化图如下：

推挽输出

推挽电路的示意图：

当IN输入低电平时，P-MOS导通，N-MOS截止，此时OUT输出的电压是VDD，高电平；

当IN输入高电平时，N-MOS导通，P-MOS截止，此时OUT输出的电压是VSS，低电平；

用推挽输出模式，可以得到一个明确的高电平或者低电平，可以实现高低电平的快速切换。在实际使用时，经常用IO口的高低电平去驱动一个LED或者是蜂鸣器，使用的就是MCU的推挽输出模式。

推挽输出驱动LED时，LED接地，此时电流的方向是从MCU往外输出，这个电流称为拉电流。

反之，推挽输出驱动LED时，LED接电源，此时电流的方向是从外往MCU输入，这个电流成为灌电流。

不管是灌电流还是拉电流，都是针对IO口作为输出模式而言的，它们是衡量电路驱动能力的重要参数，数据手册上可以看到这两个参数，在实际设计电路时使用的上拉电阻或者是下拉电阻，要根据这两个参数选择阻值，从而匹配电路的输出能力。

再以实际的STM32为例，推挽输出模式。

如果MCU的IO口要输出高电平，则P-mos导通，N-mos截止，此时IO引脚上的电压就是VDD高电平。

如果MCU的IO口要输出低电平，则N-mos导通，P-mos截止，此时IO引脚可以看做直接接了GND，所以是低电平。

开漏输出

开漏电路的示意图：

开漏指的是场效应管的“漏极”，开漏输出就是把场效应管的漏极直接引出来作为输出引脚。

开漏输出最重要的作用是：电平匹配，在设计电路时不论是单片机还是外设芯片或是负载，每个个体的逻辑电平可能是不一样的，这种情况时就需要作电平的匹配，就用到了开漏输出模式。

开漏输出模式，因为场效应管的漏极直接引出，是需要加一个外置电源的，我们可以通过外接电源的方式得到想要的电平。因为外接电源的方式，从MCU的角度来说，减轻了MCU的负担。

例如在使用MCU自带的IIC模块时，就要求配置想要的管脚为开漏输出模式，多个开漏输出被接在了同一个线上，下图中如果其中的某个引脚的漏极为低电平，则整个总线上都是低电平，这是“与逻辑”，所以被称为“线与”。因为IIC总线可以接很多个设备，MCU就是通过这种方式判断当前总线的状态。

再以STM32为例：

当N-MOS与P-MOS都截止时，此时的引脚就相当于连接了一个无穷大的电阻，所有IO引脚对外呈现的是高阻态，当MCU供电为3.3V，开漏输出引脚上接外部5V电源时，因为N-MOS的阻值无穷大，所以此时IO引脚上的电压就接近于5V电压。

开漏的线与特性：当多个开漏输出链接到一起，当它们全部都输出高电平时，总线上才是高电平，但凡有一个开漏输出引脚上是低电平，总线就会被拉低。

复用输出模式

复用模式输出连接的是MCU的内部外设，例如PWM、USART、IIC。具体用复用开漏输出还是复用推挽输出，这个就要根据外设需求来设置，例如IIC在使用时需要用到线与特性，就必须在程序里配置IO引脚为复用开漏输出；像UART或者PWM功能，需要IO口高速变化确定的高低电平，则必须配置为复用推挽输出。