GPIO中Open-Drain與Push-Pull之間的區別是什么

本篇內容介紹了“GPIO中Open-Drain與Push-Pull之間的區別是什么”的有關知識，在實際案例的操作過程中，不少人都會遇到這樣的困境，接下來就讓小編帶領大家學習一下如何處理這些情況吧！希望大家仔細閱讀，能夠學有所成！

【Open-Drain與Push-Pull】
GPIO的功能，簡單說就是可以根據自己的需要去配置為輸入或輸出。(General Purpose Input Output，簡稱為GPIO或總線擴展器，利用工業標準I2C、SMBus?或SPI?接口簡化了I/O口的擴展。當微控制器或芯片組沒有足夠的I/O端口，或當系統需要采用遠端串行通信或控制時，GPIO產品能夠提供額外的控制和監視功能。)但是在配置GPIO管腳的時候，常會見到兩種模式：開漏（open-drain，漏極開路）和推挽（push-pull）。對此兩種模式，有何區別和聯系，下面整理了一些資料，來詳細解釋一下：

【Push-Pull推挽輸出】

原理：

輸出的器件是指輸出腳內部集成有一對互補的MOSFET，當Q1導通、Q2截止時輸出高電平；而當Q1截止導通、Q2導通時輸出低電平。Push-Pull輸出，實際上內部是用了兩個晶體管（transistor），此處分別稱為Top-Transistor和Bottom-Transistor。通過開關對應的晶體管，輸出對應的電平。Top-Transistor打開(Bottom-Transistor關閉)，輸出為高電平；Bottom-Transistor打開(Top-Transistor關閉)，輸出低電平。Push-pull即能夠漏電流(sink current)，又可以集電流(source current)。其也許有，也許沒有另外一個狀態：高阻抗（high impedance）狀態。除非Push-pull需要支持額外的高阻抗狀態，否則不需要額外的上拉電阻。

特點：在CMOS電路里面應該叫CMOS輸出更合適，因為在CMOS里面的push－pull輸出能力不可能做得雙極那么大。輸出能力看IC內部輸出極N管P管的面積。push－pull是現在CMOS電路里面用得最多的輸出級設計方式。

優點：（1）可以吸電流，也可以貫電流；（2）和開漏輸出相比，push－pull的高低電平由IC的電源低定，不能簡單的做邏輯操作等。

缺點：一條總線上只能有一個push-pull輸出的器件；

【Open-Drain開漏輸出】

原理：

開漏電路就是指以MOSFET的漏極為輸出的電路。指內部輸出和地之間有個N溝道的MOSFET（Q1），這些器件可以用于電平轉換的應用。輸出電壓由Vcc決定。Vcc可以大于輸入高電平電壓VCC (call UP-Translate)也可以低于輸入高電平電壓VCC(call Down-Translate)
Open-Drain輸出，則是比push-pull少了個top transistor，只有那個bottom transistor。（就像push-pull中的那樣）當bottom transistor關閉，則輸出為高電平。此處沒法輸出高電平，想要輸出高電平，必須外部再接一個上拉電阻（pull-up resistor）。Open-drain只能夠漏電流（sink current），如果想要集電流（source current），則需要加一個上拉電阻。

優點：
（1）對于各種電壓節點間的電平轉換非常有用，可以用于各種電壓節點的Up-translate和Down-translate轉換
（2）可以將多個開漏輸出的Pin腳，連接到一條線上，形成“與邏輯”關系,即“線與”功能，任意一個變低后，開漏線上的邏輯就為0了。這也是I2C，SMBus等總線判斷總線占用狀態的原理。
（3）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R pull-up ，MOSFET到GND。IC內部僅需很小的柵極驅動電流。
（4）可以利用改變上拉電源的電壓，改變傳輸電平，如圖， IC的邏輯電平由電源Vcc1決定，而輸出高電平則由Vcc2決定。這樣我們就可以用低電平邏輯控制輸出高電平邏輯了。

OD輸出電平的原理

缺點：開漏Pin不連接外部的上拉電阻，則只能輸出低電平。當輸出電平為低時，N溝道三極管是導通的，這樣在Vcc'和GND之間有一個持續的電流流過上拉電阻R和三極管Q1。這會影響整個系統的功耗。采用較大值的上拉電阻可以減小電流。但是，但是大的阻值會使輸出信號的上升時間變慢。即上拉電阻R pull-up的阻值 決定了邏輯電平轉換的沿的速度。阻值越大，速度越低功耗越小。反之亦然。

==================================

常見的GPIO的模式可以配置為open-drain或push-pull，具體實現上，常為通過配置對應的寄存器的某些位來配置為open-drain或是push-pull。當我們通過CPU去設置那些GPIO的配置寄存器的某位的時候，其GPIO硬件IC內部的實現是，會去打開或關閉對應的top transistor。相應地，如果設置為了Open-D模式的話，是需要上拉電阻才能實現，也能夠輸出高電平的。因此，如果硬件內部(internal)本身包含了對應的上拉電阻的話，此時會去關閉或打開對應的上拉電阻。如果GPIO硬件IC內部沒有對應的上拉電阻的話，那么你的硬件電路中，必須自己提供對應的外部(external)的上拉電阻。而push-pull輸出的優勢是速度快，因為線路是以兩種方式驅動的。而帶了上拉電阻的線路，即使以最快的速度去提升電壓，最快也要一個常量的R×C的時間。其中R是電阻，C是寄生電容(parasitic capacitance)，包括了pin腳的電容和板子的電容。但是，push-pull相對的缺點是往往需要消耗更多的電流，即功耗相對大。而open-drain所消耗的電流相對較小，由電阻R所限制，而R不能太小，因為當輸出為低電平的時候，需要sink更低的transistor，這意味著更高的功耗。而open-drain的好處之一是，允許你short多個open-drain的電路，共用一個上拉電阻，此種做法稱為wired-OR連接，此時可以通過拉低任何一個IO的pin腳使得輸出為低電平。為了輸出高電平，則所有的都輸出高電平。此種邏輯，就是“線與”的功能，可以不需要額外的門電路來實現此部分邏輯。

“GPIO中Open-Drain與Push-Pull之間的區別是什么”的內容就介紹到這里了，感謝大家的閱讀。如果想了解更多行業相關的知識可以關注億速云網站，小編將為大家輸出更多高質量的實用文章！