单片机IO口科普：推挽输出、开漏输出详解
内容提要
推挽输出和开漏输出是数字器件的两种输出结构，推挽输出适用于电流型驱动，可以输出高低电平，驱动能力强；开漏输出适用于电流吸收能力较强的情况，需要外部上拉电阻来得到高电平状态，可以连接多个输出形成与逻辑关系。开漏输出和开集输出原理类似，可以互相替代，但开漏输出的驱动能力较差。推挽输出在CMOS电路中应用更广泛。
延伸解读
推挽与开漏的核心差异：驱动能力与电平来源
推挽输出用上下两个开关管分别驱动高、低电平，因此高低电平驱动能力都强；开漏输出去掉了上管，高电平只能靠外部上拉电阻提供，低电平由内部晶体管拉低。这意味着开漏的高电平边沿速度受上拉电阻和负载电容影响，电阻越小速度越快但功耗越大，电阻越大则相反。推挽输出则不存在这个上升沿延时问题，但两个推挽输出直接对接可能因电平不同产生大电流而损坏端口。
开漏输出的典型用途：电平转换与线与逻辑
开漏输出允许上拉电阻接到不同于芯片电源的电压，因此可实现电平转换，例如用低电平逻辑控制较高电压的逻辑输出。多个开漏引脚连到同一根线时，任意一个拉低整条线即为低，形成“与逻辑”，这也是I2C等总线判断占用状态的原理。但开漏引脚不接上拉电阻时只能输出低电平，经典51单片机P0口作输入输出时就必须外加上拉电阻。
上拉电阻的选择：速度与功耗的权衡
开漏输出的上升沿靠外接无源电阻对负载充电，下降沿则由内部晶体管有源驱动，因此上拉电阻只影响上升沿、不影响下降沿。电阻越小上升时间越短，但脉冲下降沿时电源通过上拉电阻和导通的晶体管对地形成通路，带来额外功耗。实际选择时应在末级晶体管功耗允许范围内取值，若对上升沿要求不高可尽量取大电阻以减小对地电流；若对延时敏感，可优先利用下降沿输出。
开漏与开集：可互换但需注意驱动能力
开漏基于MOSFET漏极，开集基于三极管集电极，两者原理类似，许多应用中可用开集电路代替开漏电路来驱动要求开漏输入的引脚，既方便又节省成本。不过文章也指出，开漏输出驱动能力较差的说法并不准确，驱动能力实际取决于IC末级晶体管的功率；开漏的主要代价是上升沿延时，而非绝对驱动能力弱。推挽输出则在CMOS电路中应用更广泛，输出级设计最常见。
Q&A
推挽输出和开漏输出在驱动能力上有什么区别？
推挽输出可以输出高电平和低电平，高低电平驱动能力都很强；开漏输出需要外部上拉电阻才能得到高电平，驱动能力较差，但电流吸收能力较强（通常在20mA以内）。
开漏输出为什么需要外接上拉电阻？
开漏输出的输出端相当于三极管的集电极（或MOSFET的漏极），当内部开关断开时输出端悬空（高阻态），无法输出高电平，因此需要外接上拉电阻来提供高电平状态。
开漏输出如何实现线与功能？
多个开漏输出引脚可以连接到同一条线上，当任意一个引脚输出低电平时，整条线被拉低；只有所有引脚都输出高电平时，线才为高电平，从而形成“与逻辑”关系。
推挽输出为什么不能将两个输出口直接接在一起？
推挽输出结构上下两个开关管，当两个输出口输出不同电平时，会形成电源到地的低阻通路，产生很大的电流，可能烧坏输出口。
开漏输出中上拉电阻的阻值如何影响电路性能？
上拉电阻的阻值影响上升沿时间：阻值小，上升沿延时小但功耗大；阻值大，延时大但功耗小。选择时需在芯片功耗允许范围内兼顾速度与功耗。
开漏输出如何实现电平转换？
开漏输出的高电平由外部上拉电阻所接的电源电压决定，而输入逻辑电平由芯片内部电源决定，因此可以通过改变上拉电源电压来实现不同逻辑电平的转换。
