信號完整性學習筆記之GPIO原理

每個GPIO內部都有這樣的一個電路結構，這個結構在本文下面會具體介紹。

這邊的電路圖稍微提一下：

保護二極管：IO引腳上下兩邊兩個二極管用于防止引腳外部過高、過低的電壓輸入。當引腳電壓高于VDD時，上方的二極管導通；當引腳電壓低于VSS時，下方的二極管導通，防止不正常電壓引入芯片導致芯片燒毀。但是盡管如此，還是不能直接外接大功率器件，須加大功率及隔離電路驅動，防止燒壞芯片或者外接器件無法正常工作。

P-MOS管和N-MOS管：由P-MOS管和N-MOS管組成的單元電路使得GPIO具有“推挽輸出”和“開漏輸出”的模式。這里的電路會在下面很詳細地分析到。

TTL肖特基觸發(fā)器：信號經過觸發(fā)器后，模擬信號轉化為0和1的數字信號。但是，當GPIO引腳作為ADC采集電壓的輸入通道時，用其“模擬輸入”功能，此時信號不再經過觸發(fā)器進行TTL電平轉換。ADC外設要采集到的原始的模擬信號。

下面將具體介紹GPIO的這八種工作方式：

浮空輸入模式

浮空輸入模式下，I/O端口的電平信號直接進入輸入數據寄存器。也就是說，I/O的電平狀態(tài)是不確定的，完全由外部輸入決定；如果在該引腳懸空（在無信號輸入）的情況下，讀取該端口的電平是不確定的。

上拉輸入模式

上拉輸入模式下，I/O端口的電平信號直接進入輸入數據寄存器。但是在I/O端口懸空（在無信號輸入）的情況下，輸入端的電平可以保持在高電平；并且在I/O端口輸入為低電平的時候，輸入端的電平也還是低電平。

下拉輸入模式

下拉輸入模式下，I/O端口的電平信號直接進入輸入數據寄存器。但是在I/O端口懸空（在無信號輸入）的情況下，輸入端的電平可以保持在低電平；并且在I/O端口輸入為高電平的時候，輸入端的電平也還是高電平。

模擬輸入模式

模擬輸入模式下，I/O端口的模擬信號（電壓信號，而非電平信號）直接模擬輸入到片上外設模塊，比如ADC模塊等等。

開漏輸出模式

開漏輸出模式下，通過設置位設置/清除寄存器或者輸出數據寄存器的值，途經N-MOS管，最終輸出到I/O端口。這里要注意N-MOS管，當設置輸出的值為高電平的時候，N-MOS管處于關閉狀態(tài)，此時I/O端口的電平就不會由輸出的高低電平決定，而是由I/O端口外部的上拉或者下拉決定；當設置輸出的值為低電平的時候，N-MOS管處于開啟狀態(tài)，此時I/O端口的電平就是低電平。同時，I/O端口的電平也可以通過輸入電路進行讀?。蛔⒁猓琁/O端口的電平不一定是輸出的電平。

開漏復用輸出模式

開漏復用輸出模式，與開漏輸出模式很是類似。只是輸出的高低電平的來源，不是讓CPU直接寫輸出數據寄存器，取而代之利用片上外設模塊的復用功能輸出來決定的。

總結與分析

1、什么是推挽結構和推挽電路？

推挽結構一般是指兩個參數相同的三極管或MOS管分別受兩互補信號的控制，總是在一個三極管或MOS管導通的時候另一個截止。高低電平由輸出電平決定。

推挽電路是兩個參數相同的三極管或MOSFET，以推挽方式存在于電路中，各負責正負半周的波形放大任務。電路工作時，兩只對稱的功率開關管每次只有一個導通，所以導通損耗小、效率高。輸出既可以向負載灌電流，也可以從負載抽取電流。推拉式輸出級既提高電路的負載能力，又提高開關速度。

2、開漏輸出和推挽輸出的區(qū)別？

開漏輸出：只可以輸出強低電平，高電平得靠外部電阻拉高。輸出端相當于三極管的集電極。適合于做電流型的驅動，其吸收電流的能力相對強(一般20ma以內)；

推挽輸出:可以輸出強高、低電平，連接數字器件。

關于推挽輸出和開漏輸出，最后用一幅最簡單的圖形來概括：

該圖中左邊的便是推挽輸出模式，其中比較器輸出高電平時下面的PNP三極管截止，而上面NPN三極管導通，輸出電平VS+；當比較器輸出低電平時則恰恰相反，PNP三極管導通，輸出和地相連，為低電平。右邊的則可以理解為開漏輸出形式，需要接上拉。