TTL反相器、OC门、TS门、推挽输出、开漏输出

TTL反相器

这是一个TTL反相器，这是经过了很多工程师多种设计最终沉淀出来的电路，这个电路是比较成熟的。我们只需要对这个电路进行解析即可，不需要再去研究当初是如何设计出来的。

学过CMOS应该知道，右侧的输出级其实也是个推挽输出，因为长得像图腾柱，因此也有人称呼它为图腾柱。推挽输出的好处就是T4和T5是独立的，要么T4导通T5截止、要么T4截止T5导通。

对于输入级，比较简单，就是从T1的发射极传入，往后传。

对于倒相级，叫这个名字，是跟集电极和发射极电压的变化有关系的。T2集电极电压升高时，发射极电压降低。发射极电压升高，集电极电压就降低，这是一个相反的过程，所以叫做倒相级。

通常情况下，我们讲数字电路的时候用的是一个定性的说法，就是高低电平。而对于这个电路来说，我们需要用定量的方法来分析一下。

我们假设：

• Vcc=5V
• Vpn=0.7V
• Vce=0.1V
• ViH=3.4V
• ViL=0.2V

当A输入0.2V时，因为T1接了4k电阻拉到了Vcc，T1的PN结就被打通了，因为Vpn=0.7V，所以T1的基极会被钳位在0.9V(0.2+0.7)。

T1的集电极就是T2的基极。要了解这个点的电压，我们要知道T1的工作状态。T1的集电极电阻恰好等于1.6k加上一个反向PN结的阻值。这个节电阻会非常大。有这么大的电阻，饱和电流就会非常低，就非常容易进入饱和状态。T1进入饱和之后，Vce之间的压差通常在0.1V左右，所以此时T1的集电极为0.3V。

T2的基极如果是0.3V，那么T2是截止的状态，如果T2截止，那么T4基极的电位就是高电平。那么T4导通。

那么电流就从R4、T4、D2、Y流出来了。

当输入3.4V时，R1被上拉到5V，T1的PN结还是能打通，打通的话，T1集电极的电压应该是4.1V(3.4+0.7)，T1的等效电阻还是非常大，进入深度饱和，那么T2的基极就是3.5V(3.4+0.1)，如果是3.5V的话，T2的管子就可以导通了，如果T2基极是3.5V的话，T2就可以导通，T2的E极应有2.8V，那么T5的管子也就导通了。

现在开始倒推，如果T5导通，BE之间被锁定在0.7V，所以T5的基极现在是0.7V。如果T5的基极是0.7V,T2的基极就不会是3.5V，它也被钳位了，就会变成1.4V。因为T1是一个NPN的半导体，那么基极就是一个P型半导体，集电极就是一个N型半导体。P型半导体有4.1V，N型半导体有1.4V，相当于一个二极管又被打通了。那么这个4.1V也无法保持，它会掉到2.1V。

此时T1发射极是3.4V，基极是2.1V，集电极是1.4V。

有两个需要注意的地方，首先是T1：因为基极是P型半导体，集电极是N型半导体，PN结被打通，那么1.4V和4.1V的压差保持不住，一定会往下掉。只要这个二极管导通，那么压降就是固定的，就会钳位在2.1V。

还有就是T2的集电极：如果T2达到深度饱和，那么T2的集电极应该是0.8V左右，如果是0.7V以上，按道理T4的BE之间就能导通，但我这里多了一个D2，如果D2也想要导通的话，那么T2就垫起来一个0.7V。也就是说，T4的基极要达到1.4V，才能让T4的CE导通。而现在0.8V，T4是没办法导通的。

T5和T2导通时，T4就截止了。因为T5是导通的状态，所以此时Y输出的就是接地，接近于0的信号。由于D2的存在，会让T4可靠地截止。如果没有D2，那么T4也会导通，T4，T5都导通的话，Y电压就不固定了。

输入级的D1的作用是保护T1这跟管子。如果电压扰动的话，A点电压可能出现负值，流经T1的电流会非常大。为了保护T1管子，我们接入了D1这个二极管。如果A点电压太低的话，尤其是到了-0.7V以下。D1这个管子会有电流从下往上流过去，就可以保护T1的管子。

OC门

这个TTL电路存在一些局限：

• 高电平电压不够高：R4、T4、D3都会分压。
• 不能直接线与：电流太大，会对三极管造成损伤。

为了解决第两个问题，我们将上面的电路和下面的电路的反相器都给去掉一部分，此时的电路只能输出低电平，我们需要再额外给它挂一个电阻和Vcc'，Vcc'就可以给它提供高电平了。

在上面的电路中，Vcc和Vcc'是独立的，我们不需要Vcc提供高电平，Vcc'可以是5V，也可以更高。通过这样一个改变方式，我们甚至可以用TTL电路来推动CMOS电路，因为TTL和CMOS电压是不匹配的，而我们现在电压是可以外置的，我们可以让Vcc'高一点，也可以让它低一点，就看我们后面电路的需要了。这样，第一个问题也就被解决了。

这样的电路结构有一个专有名词，叫OC门。OC就是Open Collector集电极开路。与OC对应的还有一个OD，也就是Open Drain漏极开路，功能与OC门类似。

OC门指的是框起来的这一部分。

OC门只是习惯上的叫法，如果搜索Open Collector Gate，基本上是搜不到的。因为OC门对应的是Open Collector Output，就是OC输出。虽然叫OC门，但不属于门电路，和与或非门不是一个东西。

在此灵感基础上，飞利浦公司发明了I2C协议：

TS门

上一小节出现了线与，这一节说一下线或的接法。

必须使用OC门和外接电压来实现线与。线或的实现比较简单粗暴。只要加两个二极管，保证1来了不能从另一条路跑回去就可以。

如果使用TTL电路，左边的应使用OC门搭建，但右边的线或不能使用OC门，因为TTL电路输出时只有三点几伏，又要过一个二极管，可能只剩二点几伏。尽管仍在TTL电路对高压的识别范围内，但还是很少有人会用到这种接法。

对于上一节末尾提到的I2C总线协议。很多个从机仅仅是物理上连接在一起的，主机很难判断信息是从哪台设备发过来的，如果此时有一个开关，可以指定某台设备发送信息，其他的设备都不能开，就可以解决这个问题。

我们知道，多发射极之间是一个与门的关系，我们通过新增加的橙线来控制设备的输出状态。只有当橙线输入为0时，理想状态是设备将不起作用。而事实是输入0时，T4是可以导通的，Y将输出1。我们再加一部分电路，就可以使T4停止导通。

此时T1的集电极将是0，T4和T5都处于截止状态，Y既不是1也不是0，处于一个断路的状态，这就起到了一个开关的作用。

此时控制端输入0，能使设备停止工作，但如果将0改为1，T4和T5都将导通，如果外接电压过大，还有可能烧坏T2，解决方法就是加一个二极管，在使能信号为1时不去干扰T4。

EN是使能端，通常传递取反后的信号，传入时需要再取一次反。

GPIO输出模式

GPIO（英语：General-purpose input/output），通用型之输入输出的简称。

这是一个GPIO配置为输出时的内部示意图，我们要关注的其实就是这两个MOS管的开关状态。排列组合一下，一共就只有四种状态：

• 上面的MOS管打开，下面的MOS管关闭时，输出高电平。
• 上面的MOS管关闭，下面的MOS管打开时，输出低电平。
• 两个MOS管都关闭时，输出处于一个浮空的状态，此时他对其他点的电阻时无穷大的，所以这个状态也被称为高阻态。
• 当两个MOS管都打开时，电源直接对地短路，MOS管就被烧毁了。所以这种个状态并不存在。

当GPIO输出高电平时，电流流出去，给右边的MOS管的栅极充电，这个过程被称为“推”，把电流推出去。

当GPIO输出低电平时，电流流进来，给右边的MOS管的栅极放电，这个过程被称为“挽”，把电流挽回来。

所以所谓的推挽，其实就是描述了MOS管输出高低电平时电流的一个动作而已。

我们再把下面两种状态拿出来组成一个组合。在这个组合里，上面的MOS管始终是关闭的，所以可以认为它就是不存在的，那么这个时候，下面的MOS管的漏极就等于啥也没接，处于一个开路状态，所以这个模式被称为开漏模式。

如果我们想用这个GPIO去控制一个芯片的引脚，但是这个GPIO输出的是5V，而后面的芯片的enable只支持3.3V输入。如果用推挽的话

复用输出

如果我们要点亮一颗LED灯，只需要单片机内部输出高电平即可，那么单片机内部如何控制引脚输出高电平呢？

右侧的两个二极管只是起保护作用，为了便于理解，我们暂时不理它。

它一共有4种输出模式：

• 推挽输出
• 开漏输出
• 复用推挽输出
• 复用开漏输出

推挽输出

如果它处于推挽输出模式，则可以控制PMOS和NMOS，如果要输出高电平，则PMOS导通、NMOS不导通；如果要输出低电平，则NMOS导通、PMOS不导通。

开漏输出

当处于开漏输出时，PMOS永远都是截止的，当NMOS导通时，输出低电平。当NMOS截止时，它输出的是高阻态。

这是因为这两个晶体管都处于截止状态，它的电阻可以看作无穷大，此时它的引脚就相当于连着一个无穷大的电阻，所以此时对外呈现的是高阻态。它正常工作时必须接一个上拉电阻，一般工作在电平不匹配的场合。比如STM32输出的是3.3V，如果要输出5V，就要接一个5V的上拉电阻。

当NMOS截止时，它就会输出5V高电平。这是因为内部阻抗无穷大，而这个上拉电阻阻值有限，所以引脚上输出的就接近5V。它还具有“线与”的特性。比如多个开漏输出引脚连接在一起，只有他们都输出高电平，也就是开漏输出的高阻态，最终才能输出高电平。但凡有一个开漏输出低电平，所有的引脚电压都被这一个拉低了

因为MOS管的漏极相当于开路，所以被称作“开漏输出”，与OC门的命名方式相同：OC门是集电极开路。

复用推挽/开漏输出

我们的推挽输出和开漏输出通过的是上面的那条线。我们直接对这跟线编程，就可以控制它输出高低电平了。

而复用推挽输出和复用开漏输出用的是下面那条线。它连接的是单片机和内部外设，比如PWM、USART、I2C，因为这些通信的频率很高，每秒钟电平变化上万次。如果使用推挽或者开漏输出的话，那我们就需要通过对上面的引脚编程，来控制它的输出。而如果我们使用它的复用功能，它的这些模块直接控制它的引脚输出，方便了我们的编程。

具体看哪一个工作模式，要看它的工作方式。

如果是I2C这种需要线与的场合，就需要用到单片机的复用开漏输出，而PWM、串口通讯这些，则需要用到它的复用推挽输出模式。