关于电路的基础知识(必看!电路的各种基础知识)
来源:智慧事儿
开路集电极的输出结构如图1所示。右边三极管的集电极没有接任何东西,所以叫集电极开路。左边的晶体管用于反相,所以当输入为0 & gt;输出也是0 & gt;对于图1,当左端的输入是0 & gt;前三极管关断,所以通过1k电阻给右三极管施加5v电源,右三极管导通;当左端的输入是1 ,前三极管开启,后三极管关闭。
当我们将图1简化为图2时,很明显,当开关闭合时,输出直接接地,因此输出电平为0。当开关关断时,输出暂停,即高阻态。此时,水平状态未知。如果后置电阻负载到地,输出端的电平会被这个负载拉低,所以这个电路不能输出高电平。
图3中的1k电阻是上拉电阻。如果开关闭合,电流将流过1k电阻和开关。但由于开关闭合时电阻为0(方便我们讨论,实际中开关电阻不为0,三极管也有饱和压降),开关上的电压为0,即输出电平为0。如果开关关断,由于开关电阻无穷大(同上,不考虑实际漏电流),流过它的电流为零,所以1k电阻两端的压降也为零,所以输出端的电压为5v,这样就可以输出高电平。
但是这个输出的内阻是——,也就是1k。如果连接一个电阻为R的负载,通过分压可以计算出最终输出电压为5*r/(r 1000) V。因此,如果要达到某个电压,R不能太小。如果R真的太小,导致输出电压不足,那么我们只能通过降低1k的上拉电阻来增加驱动能力。
但是上拉电阻不能太小,因为开关闭合时会产生电流,上拉电阻的值是有限的,因为能流过开关的电流是有限的。另外,要考虑到当输出电平较低时,负载也可能提供一部分电流流过开关。因此,有必要根据这些电流考虑因素选择合适的上拉电阻。
如果我们将用于读取数据的输入端连接到输出端,这将是一个IO端口。51的IO口是这样的结构,P0口内部没有上拉,其他三个口内部有上拉。当我们要使用输入功能时,只需要将输出端口设置为1,相当于开关关断,对于端口P0来说,就是高阻态。
排水明沟
对于开漏(OD)输出,它非常类似于集电极开路输出。用场效应晶体管代替上面的三极管。这样集电极就成了漏极,OC成了OD。原理分析是一样的。OC门主要用在三个方面:实现与/或逻辑、电平移位和驱动器。
开漏电路的特性
利用外部电路的驱动能力,减少IC内部的驱动,或者驱动高于芯片电源电压的负载。
一条线路可以连接多个开漏引脚。通过一个上拉电阻,在不增加任何器件的情况下形成AND逻辑关系。这也是I2C、SMBus等公交车判断公交车占用状态的原则。
因为漏级是开路的,所以后级电路必须接一个上拉电阻,上拉电阻的电源电压可以决定输出电平。这样就可以进行任何级别的转换。
开源提供了灵活的输出方式,但也有它的软肋,就是上升沿的延迟。因为上升沿通过外接一个无源电阻给负载充电,电阻小的时候延时小,但是功耗高。反之,延迟大,功耗小。因此,如果对延迟有要求,建议使用下降沿输出。
推挽输出
另一种输出结构是推挽输出。推挽输出的结构是把上拉电阻改成开关。当要输出高电平时,上开关接通,下开关断开。当要输出低电平时,情况正好相反。
与OC或OD相比,这种推挽式结构无论在高低水平都有很强的驱动能力。如果两个输出电平不同的输出端口连接在一起,会产生很大的电流,可能会烧坏输出端口。但是上面说的OC或者OD输出不会有这种情况,因为上拉电阻提供的电流比较小。如果要将推挽输出设置为高阻态,必须同时关断两个开关(或者在输出端口使用传输门),可以作为输入状态。AVR单片机的一些IO口就是这种结构。
两种形式的驱动电路
单片机内部逻辑经过内部逻辑运算后需要输出到外部,外部器件可能需要大电流驱动,所以单片机输出端口必须有驱动电路。
1、使用N型晶体管。
其中一种是使用N型三极管3354NPN或N沟道。以NPN三极管为例,即E接地,B接内部逻辑运算,C引出。可以内部驱动B来控制三极管是否导通,但如果三极管的C极一直悬空,那么尽管B极上有高低变化,C极上也不会有高低变化。所以在这样的条件下,必须外接一个电阻,电阻的一端接在C(引线脚)另一端的电源上,这样当三极管的B电压高时,C电压低,而B电压低时,三极管被阻断,在电阻的拉动下,C极高。
这种驱动电路有个特点:低压用三极管驱动,高压用电阻驱动,——上下不对称。三极管导通时ec内阻很小,可以提供很大的电流,可以直接驱动led甚至继电器,但是电阻的驱动有限,最大高电平输出电流=(VCC-VH)/r
2、使用两个晶体管。
另一种是互补推挽输出,使用两个晶体管,一个在顶部,另一个在底部。上面的是N型,下面的是P型(以三极管为例)。两个晶体管的连接是:NPN的C(上)接VCC,PNP的C(下)接地,两个晶体管的ee和bb连接,其中ee是输出(引出脚),bb接内部逻辑。该电路通常用于功率放大器电路的最后一级(音频)。当bb接高电压时,NPN管导通输出高电压。因为三极管的ec电阻很小,所以输出的高压驱动能力很强。当bb与低电压连接时,NPN关断,PNP导通。由于三极管的ec电阻很小,输出的低电压驱动能力很强。
举个简单的例子,当9013打开时,ec电阻小于10欧姆。按Vh=2.5v,VCC=5v计算,最大高电平输出电流=250MA,短路电流500ma。这个计算也告诉我们,采用推挽输出时一定要注意不要有外部电路短路的可能,否则芯片肯定会被烧坏,尤其是外部驱动三极管时,don 别忘了在三极管的基极加一个限流电阻。推挽电路有很多种形式。有些单片机自上而下使用N型管,但内部逻辑提供互补输出。上面的描述只是为了解释推挽的原理。更深入的了解,可以参考功放电路。
上拉阻力和弱上拉
上拉电阻很大,提供的驱动电流很小,称为弱上拉,反之亦然。
1、为什么要使用拉电阻?
上拉是通过一个电阻将不确定信号嵌入高电平,这个电阻也起到限流的作用,下拉也是一样。上拉是注入器件的电流,下拉是输出电流。弱或强只是上拉电阻阻值的不同,没有严格的区分。
对于非OC和OD输出电路,提升电流和电压的能力有限。上拉电阻的作用主要是为集电极开路输出电路输出电流通道。
2、上拉电阻的主要应用:
当TTL电路驱动COMS电路时,如果TTL电路的输出高电平低于COMS电路的最低高电平(一般为3.5V),则需要在输出端连接一个上拉电阻
为了增加输出引脚的驱动能力,有些单片机引脚往往使用上拉电阻,但当用OC门驱动(比如控制一个LED)时,可以省略上拉电阻。
在COMS芯片中,为了防止静电损坏,不用的管脚可以不要被挂断。通常,连接上拉电阻是为了降低输入阻抗,并为负载放电提供路径。
提高总线的抗电磁干扰能力。当引脚悬空时,更容易接受外界的电磁干扰。
长线传输中电阻不匹配容易造成反射波干扰,下拉电阻为电阻匹配,有效抑制反射波干扰。
3、上拉电阻电阻值的选择原则包括:
它应该足够大,以节省功耗和芯片的当前填充容量;高电阻和低电流。
它应该足够小,以保证足够的驱动电流;低电阻,高电流。
对于高速电路,过大的上拉电阻可能会使边沿变平。
综合以上三点考虑,一般在1k-10k之间选择。下拉电阻也是如此。
三态门
当高阻态引脚对地电阻无穷大时,读取引脚电平时可以读取真实电平值。高阻态的重要作用是输入时I/O(输入/输出)口用来读取外部电平。一般来说,门电路与其他电路的连接无非是两种状态,1或0。在复杂系统中,为了在一条传输线上传输不同元件的信号,开发了相应的逻辑器件,称为三态门。
三态门除了这两种状态外,还有一种高阻状态,即高阻抗(高阻,相当于开路)。相当于门和与之相连的电路断开了。三态门是具有扩展逻辑功能的输出级,也是控制开关。
它主要用于总线连接,因为总线同时只允许一个用户。通常,多个器件连接到数据总线,每个器件由OE/CE等信号选通。如果设备没有选通,则处于高阻状态,相当于没有连接到总线上,不会影响其他设备的工作。
准双向端口
准双向端口只能有效读0,而读1是非零的,即读的时候先写1到IO,再读。真正的双向口,顾名思义,就是真正的双向IO,不需要任何前置操作就可以直接读写。
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