嵌入式硬件杂谈：推挽、开漏、高阻态、上拉电阻

对于嵌入式硬件这个庞大的知识体系而言，太多离散的知识点很容易疏漏，因此对于这些容易忘记甚至不明白的知识点做成一个梳理，供大家参考以及学习，本文主要针对推挽、开漏、高阻态、上拉电阻这些知识点的学习。

GPIO基础

下图截取的数据手册图，里面包含了GPIO的相关模式的介绍。

MCU输出时会有两种模式，一种叫做推挽模式，一种是开漏模式，对于一个GPIO要么不就是输出高电平不就是输出低电平吗，为什么还要有这两种模式，答案在后文。

GPIIO内部结构简图

如下图所示，我们要关注的也就是mos管的开关状态，枚举一下会有四种情况，如下所示：

Q1	Q2	OUT
open	close	High
close	open	Low
close	close	Floating
open	open	Short Circuit

推挽的理解

当 Q1 PMOS 打开，Q2 NMOS 关闭，VCC给负载所在电路的给这颗 NMOS 的栅极供电，也就是推电流出去，输出高电平，当Q1 PMOS 关闭，Q2 NMOS打开时，负载所在的电路的NMOS栅极放电，也就是挽电流回来，这里用的是 NMOS 也就是在此专栏的硬件篇专门讲过为什么是NMOS，应用的场景也有说明，如果还是不懂可以回去看看。

开漏的理解 驱动能力强

开漏模式下不加外部上拉电阻的话如下图所示，这种情况是不能接受的。

因此我们需要加一个外部电阻，上拉电阻。

第一个就是改变高电平的电压，防止主控烧坏相关器件，例如在IIC中，我们想用主控控制一个芯片，但是主控输出的高电平为5V， 芯片引脚只支持3.3V输入 ，因此会造成芯片给烧毁等一系列不确定因素的问题了，因此我们就要使用开漏模式了，同时最主要的就是需要外接一个上拉电阻了，用来将5V拉低成3.3V。

也就是NMOS关闭就是高阻态，高电平由外部提供，打开就是低电平。

第二个作用就是可以让几个GPIO同时控制芯片，但是推挽就会造成短路。

这里补充一下，I2C总线理论上可以连接127个设备（7位地址模式），2^7 （本质就是前7位是地址后一位是方向 ）减去一个设备0 就是127.

推挽和开漏的区别

输出状态

直接输出高电平和低电平

只输出低电平，或通过上拉电阻输出高电平

驱动方式

双向驱动（高电平和低电平）

只有低电平驱动（高电平由外部提供）

输出能力

高驱动能力

低驱动能力（需要上拉电阻）

适用场景

一般的数字输出、控制信号

多设备共享总线、I2C、1-Wire等

优点

响应速度快，能提供较大电流

支持多设备共享，避免驱动冲突

缺点

不适合多个设备共享，功耗较大

需要外部上拉电阻，响应速度较慢

上拉电阻，到底在拉什么？

上拉电阻应用的场景

上拉电阻都会伴随着mos管的出现，其实就是工作在开漏模式下的GPIO口，

但是如果例如相关外部芯片集成上拉电阻，我们就不用外部加了，如下图所示：

上拉电阻如何取值？

绝大部分上拉电阻都是 1K-100K 之间，电阻小的话优点就是驱动能力强，电阻大的话漏电流小。

漏电流？驱动能力？是什么？

漏电流就是mos管打开时，会形成通路，如果这个电阻是1K的话，那这边的漏电流就有5mA了，这个电流是白白浪费的，而且还会产生热量。因此阻值当然是越大越好，但是驱动能力会弱。。

何为驱动能力？

也就是低电平向高电平的电平转换的过程，虽然你看到的是一个瞬间的上升沿，但是其实刻度调大之后，低电平到高电平并不是瞬间完成的，也就是之前章节说到的爬升过程了。。也要结合相关芯片负载的硬件选型了，否则会有失真的情况了。

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