一文详解开漏输出和开集输出的原理、特点和应用

开漏（open-drain）或开集电极（open-collector）输出引脚由单个晶体管驱动，将引脚拉到只有一个电压（通常是接地）。当输出设备关闭时，引脚被悬空（开启，或高阻态）。

一个常见的例子是n沟道晶体管，当晶体管导通时，将信号拉向地，或者当晶体管关断时，将信号保持开路。

开漏指的是在场效应晶体管技术中实现的这种电路，因为晶体管的漏极端口连接到输出端；开集指的是双极晶体管的集电极连接到输出。

当晶体管关断时，信号可以被另一个设备驱动，或者可以通过电阻上拉或下拉。电阻可防止未定义的漂浮状态（高阻态）。

什么是开集输出

Open collector（开集）是一种电路输出结构，它允许多个输出设备共享一个电路线。在Open collector电路中，输出器件可以将输出线拉低（接地），但不能将其拉高。因此，当输出器件拉低时，输出线将被拉低，而当输出器件不拉低时，输出线将由上拉电阻上拉到高电平。这种结构通常用于数字电路和总线系统中。

集电极开路输出通过内部双极结型晶体管 (BJT) 的基极处理 IC 的输出，该晶体管的集电极暴露为外部输出引脚。

对于 NPN 开路集电极输出，NPN 晶体管的发射极在内部接地， 因此 NPN 开路集电极在内部形成短路（技术上低阻抗或“低 Z”）连接到晶体管导通时的低电压（可能接地），或晶体管关闭时的开路（技术上高阻抗或“hi-Z”）。输出通常连接到外部上拉电阻，当晶体管关闭时，该电阻将输出电压拉至电阻的电源电压。

对于NPN开漏输出，NPN晶体管的发射极内部连接到地，因此当晶体管开启时，NPN开漏内部形成短路（技术上是低阻抗或“低-Z”）连接到低电压（可能是地线），或者当晶体管关闭时形成开路（技术上是高阻抗或“高-Z”）。输出通常连接到外部上拉电阻，当晶体管关闭时，上拉电阻将输出电压拉到电阻的供电电压。

对于 PNP 集电极开路输出，PNP 晶体管的发射极在内部连接到正电压轨，因此集电极在晶体管导通时输出高电压，在晶体管截止时输出高阻态。这有时称为“集电极开路，驱动高”。

什么是开漏输出

开漏输出（Open drain）是一种电路设计中常见的输出模式，它允许多个设备共享同一输出线。在这种模式下，输出端口可以被拉低以接地，但不能被拉高。这种设计可以用于连接到其他设备的输入端口，以便它们可以通过外部上拉电阻来拉高输出端口。

上图中的 Drain 是漏极，Source 是源极。

开漏输出使用 MOS 晶体管 (MOSFET) 代替 BJT，并将 MOSFET 的漏极暴露为输出。

如果没有外部上拉电阻，当高电压施加到 MOSFET 栅极时，nMOS 开漏输出接地，OK 没问题。但是，当低电压施加到栅极时呈现高阻抗。由于 MOSFET 不导通，该高阻抗状态下的电压将是浮动的（未定义），这就是为什么 nMOS 开漏输出需要一个连接到正电压轨的上拉电阻器以产生高输出电压。

使用 nMOS 开漏输出的 MOS 管可能会提供“弱”（高电阻，通常约为 100 kΩ）内部上拉电阻，以将相关引脚连接到器件的正电源，因此它们的输出电压不会漂浮。这种弱上拉电阻由于其较低的 而降低了功耗，并且可能避免对外部上拉的需要。外部上拉可能会“更强”（较低的电阻，也许 3 kΩ），以减少信号上升时间（如 I²C）或最大限度地减少噪声（如系统 RESET 输入)。

现代微控制器可能允许对特定输出引脚进行编程，以使用开漏输出而不是推挽输出、内部上拉的强度，并允许在不需要时禁用内部上拉。

对于 pMOS 开漏极，当晶体管导通时，输出连接到正电源轨，而当晶体管关断时，输出为高阻抗。这有时称为“开漏，驱动高”。

应用

开漏输出和开集输出是两种常用的电路输出模式，它们的区别在于使用的器件不同，开漏输出使用MOS管，开集输出使用三极管。这两种输出模式的共同特点是高电平时输出高阻，需要借助外部上拉电阻才能输出高电平。这样可以实现以下几个方面的应用：

电平转换：由于输出电平由上拉电阻连接的电源电平决定，所以可以很方便地实现不同电平之间的转换，例如从3.3V转换到5V，或者从5V转换到12V等。

线与功能：由于多个开漏输出或开集输出可以直接连接在一起，形成一个总线，所以可以实现线与功能，即只有当所有信号全部为高电平时，总线为高电平；只要有任意一个或者多个信号为低电平，则总线为低电平。这样可以实现信号的逻辑运算和同步控制，例如在I2C总线中，就使用了开漏输出来实现线与功能。

电流放大：由于开漏输出或开集输出的输出电流由上拉电阻的大小决定，所以可以通过调节上拉电阻的阻值来实现电流的放大，例如在LED驱动中，就可以使用开漏输出或开集输出来提供较大的电流。

当然，开漏输出和开集输出也有一些缺点，例如：

输出速度慢：由于输出高电平时需要通过上拉电阻充电，而上拉电阻的阻值不能太小，否则会造成过大的功耗，所以输出高电平的速度会受到限制，不能达到很高的频率。

功耗大：由于输出低电平时需要通过上拉电阻放电，而上拉电阻的阻值不能太大，否则会影响输出电平的稳定性，所以输出低电平时会有较大的功耗，不能实现低功耗的设计。

审核编辑：刘清