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(shè)提供信號，或者驅(qū)動外部執(zhí)行設(shè)備。因此，合理設(shè)計I/O輸出電路是產(chǎn)品穩(wěn)定的必要條件。輸出電路的設(shè)計需要考慮驅(qū)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(guān)量輸出，條件是輸出開關(guān)頻率很低。圖1-1所示為最簡單的驅(qū)動電路。

圖1-1是最簡單的驅(qū)動電路，由單片機(jī)出來的OUT信號通過R1驅(qū)動VT，R1和R2的關(guān)系要按照VT所處的開關(guān)狀態(tài)計算。也就是說，VT只有兩種狀態(tài)：斷開與飽和導(dǎo)通，不允許出現(xiàn)放大狀態(tài)。假設(shè)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(tài)，我們假設(shè)通過調(diào)節(jié)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(nèi)將很快發(fā)熱，最后發(fā)燙，通過熱輻射方式散熱，如果安裝在封閉機(jī)箱中，很快就會燒毀。

圖1-1中給定負(fù)載R2，其實(shí)是要計算R1，根據(jù)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(shè)放大倍數(shù)β為60，Ib取3.5mA，單片機(jī)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(shè)計不合理，在給定負(fù)載情況下，要求通過R1的電流至少是3.5mA，而實(shí)際只有0.41mA，會導(dǎo)致三極管燒毀。那么如何調(diào)整呢？可以通過降低R1的阻值，增大Ib實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)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(shè)計R1的阻值為1kΩ。

以上的前提條件是開關(guān)動作不頻繁，如果每1s內(nèi)連續(xù)執(zhí)行10次，則上述線路還是有問題的。問題出在什么地方呢？實(shí)際是由三極管從截止?fàn)顟B(tài)到飽和狀態(tài)的過程必須經(jīng)過放大狀態(tài)引起的。因?yàn)榻?jīng)過放大狀態(tài)是不可避免的，所以為了降低損耗，要盡量減少在放大狀態(tài)停留的時間。如果輸出的頻率很高，三極管同樣會發(fā)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(zhuǎn)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(tài)，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(guān)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(shè)計參數(shù)的晶體管外，還需要在電路上進(jìn)行輔助的設(shè)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(jìn)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(zhuǎn)換，如圖1-3所示。可以看到，增加電容C1后，當(dāng)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(zhuǎn)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?yàn)殚_通瞬間VT的基極回路阻抗基本是VT自身的Rbe，一種優(yōu)化的方式是給C1串聯(lián)電阻。

圖1-4所示是改進(jìn)后的基極驅(qū)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(yīng)有的作用，過小會帶來沖擊。