开集、开漏与推挽输出原理详解

为了让同学们更加清楚的了解开集、开漏与推挽输出，今天我们就详解这两者之间的区别与应用场景。

开极、开漏输出与推挽输出是我们在学习电子电路的必须要掌握的知识点，也是我们在设计控制系统时必须要用到的知识点。

先从他们的原理开始讲：

首先是开集输出，集就是指的三极管的集电极了。下图就是集电极开路输出的两种形式：

第一种是NPN型开集输出，就是在电路没有接入负载时，如果输入信号为高电平，输出就是低电平；如果输入为低电平，输出为高阻态。当接入负载时，当输入信号为高电平时，三极管导通，电流经过负载流过三极管；输入为低电平时，三极管截止，负载中无电流流过。

第二种是PNP型开集输出，和NPN的情况正好相反的。在电路未接入负载时，当输入信号为低电平时输出为高电平；输入为高电平时输出为高阻态；当接入负载时，当输入信号为低电平时三极管导通，电流经过三极管流过负载；输入为高电平时三极管截止，负载中无电流流过。

这两种形式听上去有点绕，其实只要掌握了一种的原理，另外一种就是相反的，很好记。

了解了开集输出，那么开漏输出也就很好理解了。它是指MOS管漏极开路输出结构。它也是分成两种形式：

第一种是N沟道MOS开漏输出，在电路未接入负载时，当输入信号为高电平时输出为低电平；输入为低电平时输出为高阻态；当接入负载时，当输入信号为高电平时MOS管导通，电流经过负载流过MOS管；输入为低电平时MOS管关断，负载中无电流流过；

第二种是P沟道MOS开漏输出，在电路未接入负载时，当输入信号为低电平时输出为高电平；输入为高电平时输出为高阻态；当接入负载时，当输入信号为低电平时MOS管导通，电流经过MOS管流过负载；输入为高电平时MOS管关断，负载中无电流流过。

开集和开漏输出结构在输出原理上是相通的，只是通过2中不同的器件来完成输出，以上这两种电路是用于负载驱动，电路的驱动能力取决于器件信号与电源功率。当我们把负载电阻更换为上拉/下拉电阻，就可以让这个电路作为电平转换电路使用。

接下来说说推挽输出，推挽输出一般由2个三极管或2个MOS管组成，推挽输出的特点就是驱动能力强，在不加外部负载时，可以正常输出高电平和低电平，我们以三极管组成的推挽电路为例做电路分析，当输入信号为低电平时，Q3关断，Q4导通，输出为低电平；输入为高电平时，Q3导通，Q4关断，输出为高电平。下图为推挽输出结构图：

这里有小伙伴就比较迷惑，既然推挽输出的驱动输出稳定，而且驱动能力强，那为啥还要去用开集或开漏输出结构呢？他们应用场合有什么区别呢？

举两种应用场景，就知道他们的妙用了。第一种，以STM32的I/O端口位的基本结构为例，下图是单片机的I/O输出结构图，由一个P-MOS与N-MOS组成，通过配置，可以通过控制P-MOS与N-MOS的导通，使输出配置为开漏或推挽输出。

当P-MOS禁止时，输出配置为开漏输出，开漏模式一般应用在I2C、SMBUS通讯等需要“线与”功能的总线电路中，除此之外，还用在电平不匹配的场合，如需要输出5伏的高电平，就可以在外部接一个上拉电阻，上拉电源为5伏，把GPIO设置为开漏模式，由上拉电阻和电源向外输出5伏的电平。当P-MOS使能时，输出配置为推挽输出，这时候单片机就可以正常输出高、低电平了。

I/O端口位的基本结构

其实，对开集、开漏的使用，最大的应用场景就是在工控场景的PLC系统里，不管是PLC的输出，还是传感器的输出，大部分都采用的是开集输出，这里使用开集输出的原因就是可以实现不同传感器电平的兼容，也可以实现传感器并联到同一个PLC的DI输入点，如果传感器采用推挽输出，在一个PLC的DI输入点上接入单个传感器时，工作时没问题的，当将2个传感器并联到同一个PLC的DI输入点，若一个传感器输出高电平，另外一个传感器输出低电平，这时候就会造成短路，损坏传感器。

欧姆龙接近传感器基本结构

欧姆龙增量式编码器基本结构

 

　　审核编辑：汤梓红