GPIO推挽输出和开漏输出详解

open-drain与push-pull】
GPIO的功能，简单说就是可以根据自己的需要去配置为输入或输出。但是在配置GPIO管脚的时候，常会见到两种模式：开漏（open-drain，漏极开路）和推挽（push-pull）。
对此两种模式，有何区别和联系，下面整理了一些资料，来详细解释一下：

图表 1 Push-Pull对比Open-Drain

	Push-Pull推挽输出	Open-Drain开漏输出
原理	输出的器件是指输出脚内部集成有一对互补的MOSFET，当Q1导通 、Q2截止时输出高电平；而当Q1截止导通、Q2导通时输出低电平 . 25pt;border:solid #E3EDF5 1.0pt;mso-border-alt: solid #E3EDF5 .75pt;padding:3.0pt 3.0pt 3.0pt 3.0pt'> 输出的器件是指输出脚内部集成有一对互补的MOSFET，当Q1导通、 Q2截止时输出高电平；而当Q1截止导通、Q2导通时输出低电平	开漏电路就是指以MOSFET的漏极为输出的电路。指内部输出和地之间有个N沟道的MOSFET（Q1）， 这些器件可以用于电平转换的应用。输出电压由Vcc'决定。Vcc'可以大于输入高电平电压VCC（up－translate） 也可以低于输入高电平电压VCC（down－translate）。
某老外的更加透彻的解释	Push-pull输出，实际上内部是用了两个晶体管（transistor）， 此处分别称为top transistor和bottom transistor。通过开关对应的晶体管， 输出对应的电平。top transistor打开（bottom transistor关闭）， 输出为高电平；bottom transistor打开（top transistor关闭）， 输出低电平。Push-pull即能够漏电流（sink current），又可以集电流 （source current）。其也许有，也许没有另外一个状态：高阻抗 （high impedance）状态。除非Push-pull需要支持额外的高阻抗状态 ，否则不需要额外的上拉电阻。	Open-drain输出，则是比push-pull少了个top transistor，只有那个bottom transistor。（就像push-pull中的那样） 当bottom transistor关闭，则输出为高电平。此处没法输出高电平，想要输出高电平， 必须外部再接一个上拉电阻（pull-up resistor）。Open-drain只能够漏电流（sink current）， 如果想要集电流（source current），则需要加一个上拉电阻。 ��出低电平
	常见的GPIO的模式可以配置为open-drain或push-pull，具体实现上， 常为通过配置对应的寄存器的某些位来配置为open-drain或是push-pull。 当我们通过CPU去设置那些GPIO的配置寄存器的某位（bit）的时候，其GPIO硬件IC内部的实现是， 会去打开或关闭对应的top transistor。相应地，如果设置为了open-d模式的话， 是需要上拉电阻才能实现，也能够输出高电平的。因此，如果硬件内部（internal）本身包含了对应的上拉电阻的话， 此时会去关闭或打开对应的上拉电阻。 如果GPIO硬件IC内部没有对应的上拉电阻的话，那么你的硬件电路中， 必须自己提供对应的外部（external）的上拉电阻。而push-pull输出的优势是速度快， 因为线路（line）是以两种方式驱动的。而带了上拉电阻的线路， 即使以最快的速度去提升电压，最快也要一个常量的R×C的时间。其中R是电阻， C是寄生电容（parasitic capacitance），包括了pin脚的电容和板子的电容。 但是，push-pull相对的缺点是往往需要消耗更多的电流，即功耗相对大。 而open-drain所消耗的电流相对较小，由电阻R所限制，而R不能太小，因为当输出为低电平的时候， 需要sink更低的transistor，这意味着更高的功耗。（此段原文：because the lower transistor has to sink that current when the output is low; that means higher power consumption.）而open-drain的好处之一是， 允许你cshort（？）多个open-drain的电路，公用一个上拉电阻，此种做法称为wired-OR连接，此时可以通过拉低任何一个IO 的pin脚使得输出为低电平。为了输出高电平，则所有的都输出高电平。此种逻辑，就是“线与”的功能，可以不需要额外的门（gate）电路来实现此部分逻辑。
原理图	图表 2 push-pull原理图 须外部再接一个上拉电阻（pull-up resistor）。 Open-drain只能够漏电流（sink current），如果想要集电流（source current）， 则需要加一个上拉电阻。 ��出低电平	图表 3 open-drain原理图 ��外部再接一个上拉电阻（pull-up resistor）。 Open-drain只能够漏电流（sink current），如果想要集电流（source current）， 则需要加一个上拉电阻。 ��出低电平  图表 4 open-drain“线与”功能 �需要加一个上拉电阻。 ��出低电平
优点	（1）可以吸电流，也可以贯电流；（2）和开漏输出相比， push－pull的高低电平由IC的电源低定，不能简单的做逻辑操作等。	（1） 对于各种电压节点间的电平转换非常有用，可以用于各种电压节点 的Up-translate和down－translate转换 （2）可以将多个开漏输出的Pin脚，连接到一条线上，形成“与逻辑”关系, 即“线与”功能，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。（3）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内部仅需很下的栅极驱动电流。 （4）可以利用改变上拉电源的电压，改变传输电平：图表 5 open-drain输出电平 的原理 lang=EN-US>R不能太小，因为当输出为低电平的时候，需要sink 更低的transistor，这意味着更高的功耗。（此段原文：because the lower transistor has to sink that current when the output is low; that means higher power consumption.）而open-drain的好处之一是， 允许你cshort（？）多个open-drain的电路，公用一个上拉电阻，此种做法 称为wired-OR连接，此时可以通过拉低任何一个IO的pin脚使得输出为低电平。 为了输出高电平，则所有的都输出高电平。此种逻辑，就是“线与”的功能 ，可以不需要额外的门（gate）电路来实现此部分逻辑。 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。
缺点	一条总线上只能有一个push-pull输出的器件； :"Times New Roman"; color:#444444;mso-ansi-language:EN-US; mso-fareast-language: ZH-CN;mso-bidi-language:AR-SA'>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。当输出电平为低时， N沟道三极管是导通的，这样在Vcc'和GND之间有一个持续的电流流过上 拉电阻R和三极管Q1。这会影响整个系统的功耗。采用较大值的上拉电阻 可以减小电流。但是，但是大的阻值会使输出信号的上升时间变慢。即上拉 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。 ine-height:115%;font-family: "Verdana","sans-serif"; mso-fareast-font-family:"Times New Roman";mso-bidi-font-family:"Times New Roman"; color:#444444; mso-ansi-language:EN-US;mso-fareast-language:ZH-CN; mso-bidi-language: AR-SA'>“线与”功能，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。 （3）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内部仅需很下的栅极驱动电流。 （4）可以利用改变上拉电源的电压，改变传输电平：图表 5 open-drain输出电平的原理 lang=EN-US>R不能太小，因为当输出为低电平的时候，需要sink更低的transistor， 这意味着更高的功耗。（此段原文：because the lower transistor has to sink that current when the output is low; that means higher power consumption.） 而open-drain的好处之一是，允许你cshort（？）多个open-drain的电路， 公用一个上拉电阻，此种做法称为wired-OR连接，此时可以通过拉低任何一个 IO的pin脚使得输出为低电平。为了输出高电平，则所有的都输出高电平。此种逻辑， 就是“线与”的功能，可以不需要额外的门（gate）电路来实现此部分逻辑。
特点	在CMOS电路里面应该叫CMOS输出更合适，因为在CMOS里面的push－pull 输出能力不可能做得双极那么大。输出能力看IC内部输出极N管P管的面积。 push－pull是现在CMOS电路里面用得最多的输出级设计方式。

 

【open-drain和push-pull的总结】
对于GPIO的模式的设置，在不考虑是否需要额外的上拉电阻的情况下，

是设置为open-drain还是push-pull，说到底，还是个权衡的问题：
如果你想要电平转换速度快的话，那么就选push-pull，但是缺点是功耗相对会大些。
如果你想要功耗低，且同时具有“线与”的功能，那么就用open-drain的模式。

（同时注意GPIO硬件模块内部是否有上拉电阻，如果没有，需要硬件电路上

添加额外的上拉电阻）
正所谓，转换速度与功耗，是鱼与熊掌，二则不可兼得焉。

ze:9.0pt;line-height:115%;font-family:"微软雅黑","sans-serif"; mso-bidi-font-family:"Times New

Roman";color:#444444;mso-ansi-language:EN-US; mso-fareast-language:ZH-CN;mso-bidi-language:AR-SA'>功能，

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。

（3）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内部仅需很下的栅极驱动电流。（4）可以利用改变上拉电源的电压，

改变传输电平：图表 5 open-drain输出电平的原理 lang=EN-US>R不能太小，因为当输出为低电平的时候，

需要sink更低的transistor，这意味着更高的功耗。（此段原文：because the lower transistor has to

sink that current when the output is low; that means higher power consumption.）而open-drain的好处之一是，

允许你cshort（？）多个open-drain的电路，公用一个上拉电阻，此种做法称为wired-OR连接，此时可以通过

拉低任何一个IO的pin脚使得输出为低电平。为了输出高电平，则所有的都输出高电平。此种逻辑，就是“线与”的功能，

可以不需要额外的门（gate）电路来实现此部分逻辑。