推挽輸出又叫推拉輸出,是最常見的輸出配置了,正如它的名字那樣,推拉輸出能夠驅動輸出兩種電平。一種是拉接到地(從負載灌入電流),另一個被推到電源電壓(輸出電流到負載)。推挽輸出可以使用一對開關來實現。在集成電路中一般使用兩個晶體管搭建。在下圖中,我們可以看到使用 PMOS 和 NMOS 晶體管構建推挽輸出配置。左側顯示的是推階段的電路狀態,右側顯示的是拉階段的電路狀態。
1.推挽電路工作原理
![使用兩個晶體管的推挽輸出原理圖(PMOS 連接到 VDD,NMOS 連接到 GND)](https://file.elecfans.com//web2/M00/3F/D4/poYBAGJqNsuAVLKCAABTxwbDVTg433.jpg)
推動階段——當連接到晶體管柵極的內部信號設置為低電平時,PMOS 晶體管被激活,電流從 VDD 流經它到輸出引腳,NMOS 晶體管處于非活動狀態(開路)且不導通。
拉動階段——當連接到晶體管柵極的內部信號設置為高電平時,NMOS 晶體管被激活(關閉)并且電流開始從輸出引腳流過它到 GND。同時,PMOS 晶體管處于非活動狀態(開路)并且不傳導電流。這種類型的輸出不允許在總線配置中將多個設備連接在一起,推挽配置最常用于具有單向通信線上(線路上的信號傳輸僅在單一方向,比如SPI、UART等)。
2.電路應用注意事項
推挽輸出在生成的輸出數字信號的斜率方面提供了更好的性能,現在很多IC甚至可以配置信號上升或者下降的斜率,從而允許我們在傳輸速度和EMI方面找到最佳的平衡點。上升沿斜率——上拉電阻與線路的固有電容相結合,形成一個低通濾波器。從而我們可以根據電阻器的值和線路的電容來調整上升沿斜率,上升沿的斜率與下降沿的斜率可能存在明顯差異。一般來說下降沿更尖銳,因為它是使用具有非常低內阻的晶體管實現的。而上升沿是由上拉電阻形成的,前面提到的低通濾波效果更加明顯。
![在開漏輸出產生的脈沖上可以看到一個急劇的下降沿和更平滑的上升沿](https://file.elecfans.com//web2/M00/3F/DA/pYYBAGJqNsuAKNLfAAATQQ74ClA255.jpg)
圖 1 開漏輸出產生的方波信號邊沿
功耗和噪聲干擾——在選擇上拉電阻值時我們需要權衡。當線路上的設備驅動輸出低電平時,它會導致較高的電流流過較低值的上拉電阻,這會增加功耗的問題。但是,選擇較高值的電阻器會反過來導致流過電阻器的電流較低,這將使線路上的外部干擾(噪聲)更容易影響信號狀態。應該注意的是,在很多MCU中,配置為推挽的輸出引腳在大多數情況下可以動態重新配置為輸入,這是通過關閉兩個晶體管來實現的,從而在線路上實現高阻抗狀態。然后可以從其他外部設備采集輸入信號。
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