Open-Drain&Push-Pull

在配置GPIO(General Purpose Input Output)管腳的時候，常會見到兩種模式：開漏（open-drain，漏極開路）和推輓（push-pull）。對此兩種模式，有何區別和聯繫，下面整理了一些資料，來詳細解釋一下：

1、Push-Pull推輓輸出

一、原理

輸出的器件是指輸出腳內部集成有一對互補的MOSFET：

　　當Q1導通、Q2截止時輸出高電平；

　　而當Q1截止導通、Q2導通時輸出低電平。

Push-Pull輸出，實際上內部是用了兩個晶體管（transistor）：

　　此處分別稱爲Top-Transistor和Bottom-Transistor。

經過開關對應的晶體管，輸出對應的電平：

　　Top-Transistor打開，Bottom-Transistor關閉，輸出爲高電平；

　　Bottom-Transistor打開，Top-Transistor關閉，輸出低電平。

Push-pull即可以漏電流(sink current)，又能夠集電流(source current)。

其也許有，也許沒有另一個狀態：高阻抗（high impedance）狀態。

除非Push-pull須要支持額外的高阻抗狀態，不然不須要額外的上拉電阻。

二、優勢

（1）能夠吸電流，也能夠貫電流；

（2）push-pull輸出的優點是速度快，由於線路是以兩種方式驅動的；

（3）和開漏輸出相比，push－pull的高低電平由IC的電源決定，不能簡單的作邏輯操做等。

三、缺點

（1）一條總線上只能有一個push-pull輸出的器件；

（2）push-pull每每須要消耗更多的電流，即功耗相對大。

2、Open-Drain開漏輸出

一、原理

開漏電路是指以MOSFET的漏極爲輸出的電路，

在內部輸出和地之間有個N溝道的MOSFET（Q1），這些器件能夠用於電平轉換的應用。輸出電壓由Vcc決定。

　　Vcc能夠大於輸入高電平電壓VCC (call UP-Translate)，

　　也能夠低於輸入高電平電壓VCC(call Down-Translate)，

Open-Drain比push-pull少了個top transistor，只有bottom transistor。

就像push-pull中那樣，當bottom transistor關閉，則輸出爲高電平，但此處無法輸出高電平。

想要輸出高電平，必須外部再接一個上拉電阻（pull-up resistor）。

Open-drain只可以漏電流（sink current），若是想要集電流（source current），則須要加一個上拉電阻。

二、優勢

（1）對於各類電壓節點間的電平轉換很是有用，能夠用於各類電壓節點的Up-translate和Down-translate轉換

（2）能夠將多個開漏輸出的Pin腳，鏈接到一條線上，造成「與邏輯」關係，即「線與」功能，任意一個變低後，開漏線上的邏輯就爲0了。這也是I2C，SMBus等總線判斷總線佔用狀態的原理。

（3）利用外部電路的驅動能力，減小IC內部的驅動。當IC內部MOSFET導通時，驅動電流是從外部的VCC流經pull-up resistor，MOSFET到GND。IC內部僅需很小的柵極驅動電流。

（4）能夠改變上拉電源的電壓，改變傳輸電平，如圖所示，IC的邏輯電平由電源Vcc1決定，而輸出高電平則由Vcc2決定。這樣咱們就能夠用低電平邏輯控制輸出高電平邏輯了。

　　　　　　　　　　　　OD輸出電平的原理

三、缺點

（1）開漏Pin不鏈接外部的上拉電阻，則只能輸出低電平，若是要輸出高電平，必需加上拉電阻。

（2）帶了上拉電阻的線路，即便以最快的速度去提高電壓，最快也要一個常量的R×C的時間。其中R是電阻，C是寄生電容(parasitic capacitance)，包括了pin腳的電容和板子的電容。

（3）當輸出電平爲低時，N溝道三極管是導通的，這樣在Vcc和GND之間有一個持續的電流流過上拉電阻R和三極管Q1，這會影響整個系統的功耗。採用較大值的上拉電阻能夠減少電流。可是大的阻值會使輸出信號的上升時間變慢，即上拉電阻的阻值決定了邏輯電平轉換的沿的速度。阻值越大，速度越低功耗越小，反之亦然。但上拉電阻不能過小，由於當輸出爲低電平的時候，須要sink更低的transistor，這意味着更高的功耗。

3、open-drain和push-pull的總結

對於GPIO的模式的設置，在不考慮是否須要額外的上拉電阻的狀況下，是設置爲open-drain仍是push-pull？

說到底，仍是個權衡的問題：

　　若是你想要電平轉換速度快的話，那麼就選push-pull，可是缺點是功耗相對會大些。

　　若是你想要功耗低，且同時具備「線與」的功能，那麼就用open-drain的模式。

（同時注意GPIO硬件模塊內部是否有上拉電阻，若是沒有，須要硬件電路上添加額外的上拉電阻）

正所謂，轉換速度與功耗，是魚與熊掌，二則不可兼得焉。