DigiKey 技术论坛上有一篇热门帖子探讨了“什么是漏极开路”。该帖子将开漏概念描述为：需要外部上拉电阻的数字电路。这是一个很好的答案，但我们应该通过询问 “ 为什么 ” 开漏电路是可取的 来扩展我们的知识。
在我们开始之前，让我们列出一个具有开漏或开集连接的逻辑器件清单：
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74 系列逻辑：7401、7403、7405、（7406 和更高电流的 7416）、（7407 和更高电流的 7417），以及十几个其他家族成员
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4000 系列逻辑器件，如 40107
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比较器，如 LM339D
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几乎所有 I^2C 器件，包括您最近连接到微控制器的传感器，包括新的 Adafruit STEMMA QT 和 Sparkfun Qwiic 接口。
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Dallas 1-wire 器件，如 DS18B20+ 温度传感器
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微控制器，包括新的 PIC 家族成员，如 PIC16F18026。它为每个 I/O 引脚提供了可配置的开漏连接。
可以找到许多相关的例子。然而，重点已经明确；具有开漏和开集输出的数字器件很常见。 了解更多关于这项技术及其优势的知识是有帮助的。在这篇文章中，我们将探讨为什么这种 50 多年前的配置仍然相关，以及为什么它是现代组件（如 PIC、Stemma QT 和 Qwiic）中的设计特性。
为了清晰和简洁，本文的其余部分将使用开漏这一术语。
技术提示 ：使用开漏配置有很好的理由。速度不是其中之一。通常与低到高转换相关的迟缓问题将在另一篇文章中讨论。
使用开漏器件进行电平转换
开漏连接可用于电平转换。正如你们中的许多人所经历的那样，曾经 5 VDC 数字逻辑很常见。一个典型的例子是带有 5 VDC I/O 的 Arduino UNO。然而，近年来，3.3 VDC 变得越来越流行。如今，在具有多个电压的系统中，微控制器、FPGA和传感器物理连接在一起并不罕见。我相信你已经在各种组件上遇到过“5 VDC 兼容”的规格。你可能也见过电平转换电路。
开漏配置可以轻松实现不同电压之间的电平转换。一个例子是图1中展示的虚构的Multisim Live仿真。在这里，我们看到一对逻辑缓冲器驱动MOSFET。每个MOSFET驱动一个白炽灯，作为上拉电阻的替代。请注意，一个灯连接到3.3 VDC电源，而另一个连接到5.0 VDC电源。在这个例子中，MOSFET用于将驱动数字逻辑与外部电压隔离。另一种说法是，所有电源共享一个共同的地，但正电压之间没有相互作用。最后一点，当电路中有电流流动时，白炽灯会发光。这是一个很好的视觉指示器，但可能会产生误导，因为灯在逻辑低电平时亮起，而大多数人习惯于正高逻辑。
图 1 ：3.3和5.0 VDC之间电平转换的代表性原理图。
关于 Multisim Live ：如果你点击这篇文章中的图片，你将进入一个公开的电路仿真。每个人都可以使用各种控件运行仿真。但是，除非你有Multisim Live订阅，否则你无法修改电路。Multisim Live是由Digilent托管的在线服务，Digilent是National Instruments的子公司。
我们可以将图1与PIC微控制器联系起来。在这个例子中，假设PIC由5.0 VDC电源驱动。将I/O配置为开漏。现在，PIC的配置与图1相同。在这里，PIC的内部逻辑使用5 VDC电源。PIC的MOS驱动器以与图1中的2N7000G MOSFET相同的方式接地。白炽灯可以用上拉电阻代替，使PIC能够在混合电压系统中工作，并能够驱动和接受外部3.3和5.0 VDC设备的输入。
技术提示 ：每个微控制器I/O引脚上都包含一对钳位二极管。这些二极管提供了一定程度的过压和静电保护。本说明中描述的电压转换在由5.0 VDC供电的微控制器通过开漏连接驱动3.3和5.0 VDC逻辑时有效。然而，这在反向情况下无效。当通过开漏连接施加5.0 VDC负载时，我们可能会损坏由3.3 VDC供电的微控制器。相关的I/O引脚到VDD二极管将正向偏置，从而将引脚电压限制在3.3 VDC加上一个二极管压降。如果没有适当的限流措施，微控制器将被损坏。这并不是一个严重的问题，因为可以使用外部MOSFET（如2N7000）通过串联电阻由PIC驱动。
使用开漏器件的有线或逻辑
在本帖的第一部分中，我们展示了如何使用开漏配置进行电压转换。我们现在将探讨如何将多个开漏器件连接起来形成一个共享总线。这个总线是 I^2C 事务的核心特征。回想一下， I^2C 接口允许多个节点在单一的两线总线上共享数据。串行数据（SDA）和串行时钟（SCL）线各自包括一个上拉电阻，类似于图2中的表示。
技术提示 ：当多个设备需要共享少量数据时， I^2C 通信总线最为有效。当单个设备必须共享大量数据时，相关的SPI协议是首选。SPI更快，因为使用专用线路来选择所需的设备，从而消除了通过串行接口发送地址的需要。SPI允许全双工。最后，SPI使用清晰的MOS驱动器用于数据线。它不会受到与 I^2C 上拉电阻相关的迟钝响应；这个话题将在另一部分中讨论。
图 2 ：使用开漏器件的有线或逻辑的示意图。
图2显示了三个开漏MOSFET。漏极连接到一个共同的上拉电阻。在这个例子中，灯泡作为上拉电阻，使我们能够可视化电流的流动。注意电路的逻辑或特性。当单个MOSFET或MOSFET组合被激活时，灯泡将点亮。当所有MOSFET关闭时，灯泡将熄灭。
独立性和隔离性是图2的重要考虑因素。唯一的要求是所有设备共享一个共同的地。每个MOSFET将对抗上拉电阻，将其拉向共享地。此时，我们可以将注意力转移到 I^2C 通信总线，如图3所示。
技术提示 ：术语“逻辑高”和“逻辑低”可能会让数字电子初学者感到困惑。考虑图2。从灯泡（逻辑低）的角度来看，电路是线或：当任何逻辑输入被断言时，灯泡将点亮。然而，当我们考虑逻辑高的角度时，电路更恰当地称为线或非。当且仅当所有输入都关闭时，输出为高。
带有开漏设备的 I^2C 通信总线
图3展示了一个微控制器系统、传感器集合和一个适用于监控和自动化照料室内植物的执行器。图2中最初提出的所有开漏概念都保留了下来。唯一的区别是MOS开漏设备隐藏在每个模块内部。上拉电阻和共同地保留了下来。我们可以看到，每个模块可以通过拉低SDA线进行通信。如有必要，每个设备可以拉低时钟线。这是一个称为时钟延展的过程，传感器可以使用它来减慢数据传输速率。
图 3 ： I^2C 通信总线中线或逻辑的框图表示。
结论
在结束时，重要的是要认识到在 I^2C 总线上进行通信需要一个健壮的协议。每个设备必须在正确的时间拉低正确的电阻。失败将导致通信混乱，因为任何时候只能有一个设备进行通信。虽然我们当然可以继续探索 I^2C 协议，但总结开漏连接的亮点已经足够。
开漏和开集电极概念可以追溯到半个世纪前的74系列逻辑。当时，设计师会欣赏诸如线或电路提供的节省（减少芯片数量）。今天，开漏配置仍然是一个重要的设计工具，特别是在板载通信和一些电平转换应用中。