1.1 輸出

1.1.1 最簡單的I/O輸出

CPU的I/O輸出用來給外設提供信號，或者驅動外部執行設備。因此，合理設計I/O輸出電路是產品穩定的必要條件。輸出電路的設計需要考慮驅動的功率大小、頻率、噪聲等因素。以下首先介紹最基本的開關量輸出，條件是輸出開關頻率很低。圖1-1所示為最簡單的驅動電路。

圖1-1是最簡單的驅動電路，由單片機出來的OUT信號通過R1驅動VT，R1和R2的關系要按照VT所處的開關狀態計算。也就是說，VT只有兩種狀態：斷開與飽和導通，不允許出現放大狀態。假設電壓VCC為10V，電阻上承受的功率超過2W。如果三極管處于放大狀態，我們假設通過調節R1讓三極管處于c、e之間有5V的壓降，這樣流過R2的電流是5/47安培（A）。三極管的功率為0.53W，由于8050三極管沒有散熱裝置，因此在短時間內將很快發熱，最后發燙，通過熱輻射方式散熱，如果安裝在封閉機箱中，很快就會燒毀。

圖1-1中給定負載R2，其實是要計算R1，根據Ic=β*Ib，飽和情況下，VT的壓降約為0.2V，Ic≈(VCC-0.2)/R2≈0.209A。假設放大倍數β為60，Ib取3.5mA，單片機輸出的OUT電壓為4.8V，那么計算出通過R1的電流是(4.8-0.7)/R1=0.41mA。因此圖1-1的設計不合理，在給定負載情況下，要求通過R1的電流至少是3.5mA，而實際只有0.41mA，會導致三極管燒毀。那么如何調整呢？可以通過降低R1的阻值，增大Ib實現。現在要求至少3.5mA，因此R1=(4.8-0.7)/0.003 5=1.171kΩ，考慮裕余量，設計R1的阻值為1kΩ。

以上的前提條件是開關動作不頻繁，如果每1s內連續執行10次，則上述線路還是有問題的。問題出在什么地方呢？實際是由三極管從截止狀態到飽和狀態的過程必須經過放大狀態引起的。因為經過放大狀態是不可避免的，所以為了降低損耗，要盡量減少在放大狀態停留的時間。如果輸出的頻率很高，三極管同樣會發熱燒毀。圖1-2所示為三極管從截止到飽和的過程，特別要注意的是其中的轉換過程。

由圖1-2可知，t1和t2之間是三極管處于放大的狀態，其時間長短與目前三極管輸出的電流大小，輸入的電流大小，b、e之間的電容大小都有關系，時間越長，對輸出管越不利。對于輸出頻率高、電流大的場合，除了選用適合設計參數的晶體管外，還需要在電路上進行輔助的設計，用來盡可能減少變換的時間。也就是讓信號變化期間變得陡直。

為了讓信號變換顯得陡直，需要從三極管的特性進行分析。三極管的集電極載流子受基極電流的影響，只要增大開通時的基極電流就能加快轉換，如圖1-3所示。可以看到，增加電容C1后，當OUT是高電平時，由于C1電壓不能突變，將迅速通過C1向VT提供基極電流，這時的基極電流主要通過C1提供，隨著時間的推移，C1充電后承受電壓，基極電流將通過R1提供。

以上電路雖然解決了轉換時間問題，但帶來的副作用是對CPU輸出引腳的沖擊較大，因為開通瞬間VT的基極回路阻抗基本是VT自身的Rbe，一種優化的方式是給C1串聯電阻。

圖1-4所示是改進后的基極驅動電路，其中，R3降低了開通瞬間的沖擊。但是R3的選擇必須合適，過大無法起到C1應有的作用，過小會帶來沖擊。