单片机 IO 结构示意图

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单片机 IO 口的三种状态，分别是开漏、推挽、高阻态，我们通过下图来分析下另外这三种状态。

单片机 IO 结构示意图

在上图中，T1 相当于一个 PNP 三极管， T2 相当于一个 NPN 三极管。最左边是一种叫做准双向输出的IO口结构。准双向输出与开漏输出的唯一区别，就是开漏输出把内部的上拉电阻去掉了。开漏输出如果要输出高电平时，T2 关断，IO 电平要靠外部的上拉电阻才能拉成高电平，如果没有外部上拉电阻 IO 电平就是一个不确定态。标准 51 单片机的 P0 口默认就是开漏输出，如果要用的时候外部需要加上拉电阻。而强推挽输出就是有比较强的驱动能力，如上图中第三张小图，当内部输出一个高电平时，通过 MOS 管直接输出电流，没有电阻的限流，电流输出能力也比较大；如果内部输出一个低电平，那反向电流也可以很大，强推挽的一个特点就是驱动能力强。

单片机 IO 还有一种状态叫高阻态。通常我们用来做输入引脚的时候，可以将 IO 口设置成高阻态，高阻态引脚本身如果悬空，用万用表测量的时候可能是高可能是低，它的状态完全取决于外部输入信号的电平，高阻态引脚对GND 的等效电阻很大（理论上相当于无穷大，但实际上总是有限值而非无穷大），所以称之为高阻。

组成开漏形式的电路有以下几个特点：

利用外部电路的驱动能力，减少IC内部的驱动。当IC内部MOSFET导通时，驱动电流是从外部的VCC流经R pull-up ，MOSFET到GND。IC内部仅需很小的栅极驱动电流；
可以将多个开漏输出的Pin，连接到一条线上。形成 “与逻辑” 关系。当PIN_A、PIN_B、PIN_C任意一个变低后，开漏线上的逻辑就为0了。这也是I2C，SMBus等总线判断总线占用状态的原理；
可以利用改变上拉电源的电压，改变传输电平。IC的逻辑电平由电源Vcc1决定，而输出高电平则由Vcc2决定。这样我们就可以用低电平逻辑控制输出高电平逻辑了；
开漏Pin不连接外部的上拉电阻，则只能输出低电平（因此对于经典的51单片机的P0口而言，要想做输入输出功能必须加外部上拉电阻，否则无法输出高电平逻辑）；
标准的开漏脚一般只有输出的能力。添加其它的判断电路，才能具备双向输入、输出的能力。

应用中需注意：

开漏和开集的原理类似，在许多应用中我们利用开集电路代替开漏电路。例如，某输入Pin要求由开漏电路驱动。则我们常见的驱动方式是利用一个三极管组成开集电路来驱动它，即方便又节省成本；
上拉电阻R pull-up的阻值决定了逻辑电平转换的沿的速度。阻值越大，速度越低功耗越小。反之亦然。

高阻态的实质：

电路分析时高阻态可做开路理解。你可以把它看作输出（输入）电阻非常大。他的极限可以认为悬空。也就是说理论上高阻态不是悬空，它是对地或对电源电阻极大的状态。而实际应用上与引脚的悬空几乎是一样的。

高阻态的意义：

当门电路的输出上拉管导通而下拉管截止时,输出为高电平;反之就是低电平;如上拉管和下拉管都截止时,输出端就相当于浮空（没有电流流动）,其电平随外部电平高低而定,即该门电路放弃对输出端电路的控制。

典型应用：

在总线连接的结构上。总线上挂有多个设备，设备与总线以高阻的形式连接。这样在设备不占用总线时自动释放总线，以方便其他设备获得总线的使用权；

大部分单片机I/O使用时都可以设置为高阻输入，如凌阳，AVR等等。高阻输入可以认为输入电阻是无穷大的，认为I/O对前级影响极小，而且不产生电流（不衰减），而且在一定程度上也增加了芯片的抗电压冲击能力。

来源：8号线攻城狮

电源电路芯片理论控制

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首次发布时间：2022-08-03