STM32的GPIO模式设置两只三极管常见组合电路

前言

STM32的GPIO八种模式设置起来很简单，根据使用GPIO是需要输入还是输出来确定，一行代码即可设置一种模式。通常，我们只需会调用代码即可，无需深究其实现电路，但对于还没学过模数电的可以稍微学习一下。此外，本文还讲解了两只三极管的“爱情故事”，即两只三极管六只引脚的不同组合会形成哪几种有用的电路。

一、STM32的GPIO模式设置

1.STM32的GPIO八种模式及选择

首先在标准固件库里的stm32f10x_gpio.h文件里可以找到八种模式的枚举定义：

typedef enum
{ GPIO_Mode_AIN = 0x0,GPIO_Mode_IN_FLOATING = 0x04,GPIO_Mode_IPD = 0x28,GPIO_Mode_IPU = 0x48,GPIO_Mode_Out_OD = 0x14,GPIO_Mode_Out_PP = 0x10,GPIO_Mode_AF_OD = 0x1C,GPIO_Mode_AF_PP = 0x18
}GPIOMode_TypeDef;

由输入和输出两大类可分为：
4种输出模式：
普通推挽输出(GPIO_Mode_Out_PP )、普通开漏输出 (GPIO_Mode_Out_OD)及复用推挽输出(GPIO_Mode_AF_PP )、复用开漏输出(GPIO_Mode_AF_OD )。
4种输入模式：
上拉输入(GPIO_Mode_IPU ) 、下拉输入模式(GPIO_Mode_IPD )、浮空输入模式(GPIO_Mode_IN_FLOATING) 模拟输入模式(GPIO_Mode_AIN )。
显然，这些模式对应的电路和功能大多数学过模电的人都记得滚瓜烂熟，所以这里重温一下这些模式的适用场合。
见名知意：
普通推挽输出(GPIO_Mode_Out_PP )：一般应用在输出电平为 0 和 3.3 伏，在STM32 使用GPIO来输出时，除了必须用开漏模式的场合，我们都习惯使用推挽输出模式，如点灯操作。与51单片机的引脚相比，此模式可以高速切换高低电平状态。
复用推挽输出(GPIO_Mode_AF_PP )：输出电平效果同上，但此模式用于STM32 的其它片上外设对 GPIO 引脚进行控制，此时 GPIO 引脚用作该外设功能的一部分。

普通开漏输出 (GPIO_Mode_Out_OD)：该引脚具有“线与”特性，即有很多个开漏模式引脚连接到一起时，若其中一个引脚为低电平，那线路就相当于短路接地，使得整条线路都为低电平。当所有线与器件都为高阻态或者高电平时，该线路才为高电平。相当于51单片机的P0引脚。
复用开漏输出(GPIO_Mode_AF_OD )：输出电平效果同上，同样，此模式也是用于用于STM32 的其它片上外设对 GPIO 引脚进行控制。

上拉输入(GPIO_Mode_IPU ) ：该引脚默认对外显示高电平，故默认读入也是高电平。
下拉输入(GPIO_Mode_IPD )：该引脚默认对外显示低电平，故默认读入也是低电平。

浮空输入(GPIO_Mode_IN_FLOATING) ：浮空输入的电平是不确定的，完全由外部的输入决定，一般检测按键的时候用的是这个模式。
模拟输入(GPIO_Mode_AIN )： GPIO 引脚用于 ADC 采集电压的输入通道时使用此模式，此引脚得到得是未经处理的原始电压。

那么问题来了，如何知道某些功能（设备通信）使用的GPIO引脚要使用哪一种模式呢？

当然是查看STM32F10x–中文参考手册中8.1.11外设的GPIO配置一栏，这里只copy了几个常见的通信功能的GPIO配置：

2.八种模式对应的电路图

到这里就差不多了吧。

其实对于很多人而言，看到这里基本上已经可以解决编程的问题了，已经可以正确选择GPIO的模式了，以至于可以不了解对应的电路图都行，因为没必要啊😁。所以接下来的内容，大家随便看一看就行了。

同样是查看STM32F10x–中文参考手册中8.1中出现下图：

此图清晰的描绘了一个GPIO引脚的基本结构概念图，由图可知，通过选择开关可以使该引脚得到8种不同的功能。
以下为STM32F10x–中文参考手册中8.1中原文，清晰地说明了不同模式下，图中各个器件的动作：

当I/O端口配置为输入时：
● 输出缓冲器被禁止
● 施密特触发输入被激活
● 根据输入配置(上拉，下拉或浮动)的不同，弱上拉和下拉电阻被连接
● 出现在I/O脚上的数据在每个APB2时钟被采样到输入数据寄存器
● 对输入数据寄存器的读访问可得到I/O状态

当I/O端口被配置为输出时：
● 输出缓冲器被激活
─ 开漏模式：输出寄存器上的’0’激活N-MOS，而输出寄存器上的’1’将端口置于高阻状态(PMOS从不被激活)。
─ 推挽模式：输出寄存器上的’0’激活N-MOS，而输出寄存器上的’1’将激活P-MOS。
● 施密特触发输入被激活
● 弱上拉和下拉电阻被禁止
● 出现在I/O脚上的数据在每个APB2时钟被采样到输入数据寄存器
● 在开漏模式时，对输入数据寄存器的读访问可得到I/O状态
● 在推挽式模式时，对输出数据寄存器的读访问得到最后一次写的值。

当I/O端口被配置为复用功能时：
● 在开漏或推挽式配置中，输出缓冲器被打开
● 内置外设的信号驱动输出缓冲器(复用功能输出)
● 施密特触发输入被激活
● 弱上拉和下拉电阻被禁止
● 在每个APB2时钟周期，出现在I/O脚上的数据被采样到输入数据寄存器
● 开漏模式时，读输入数据寄存器时可得到I/O口状态
● 在推挽模式时，读输出数据寄存器时可得到最后一次写的值

当I/O端口被配置为模拟输入配置时：
● 输出缓冲器被禁止；
● 禁止施密特触发输入，实现了每个模拟I/O引脚上的零消耗。施密特触发输出值被强置
为’0’；
● 弱上拉和下拉电阻被禁止；
● 读取输入数据寄存器时数值为’0’。

好吧，匆匆瞄过上文，接着便开始正文了😀。

二、两只三极管

众所周知，三极管分为N型和P型，一只三极管有3个引脚，当用于放大作用时，发射结正偏，集电结反偏。当用作开关作用时，发射结正偏，集电结正偏。。。。以下谈论都使用双极性三极管举例。先问大家2个问题：就单纯的连线把两只三极管连接起来有多少种组合？你学习过哪几种组合呢？
显然，由排列组合可知，考虑其中的一只三极管的3个引脚，每一个引脚可以选择另一个的B,C,E任一脚，当然还可以选择悬空，有2X3X4=24种，使两个管子分离的连接：1种，再考虑三极管P型和N型号，有4种组合，综上，两只三极管共有（24-1）X4=92种连接。。（不知道是不是这样计算的🤣，不过反正组合有很多种）

可以把这些组合分为串接和并接两大类，下面来看一下其中有实际用途的组合：（在模电书中都可以找到）

1.串接组合成达林顿管

达林顿管是两个三极管接在一起，极性只认前面的三极管。

复合管组成原则：
在正确的外加电压下，每只晶体管均工作在放大区。
第1个元件的集电极电流或射极电流作第2个元件的基极电流，电流方向一致。
等效晶体管的类型是第一个原件的类型。
复合管的特性：
高电流增益； 
电压增益约等于1（小于1）； 
高输入阻抗； 
低输出阻抗； 
放大倍数等于两管之积，漏电流影响极大，造成电路不稳定。

串接主要使用到其叠加起来的电流特性，做出大功率的复合（功率）管。

2.并接组合成输出电路

请看下图：

这几个电路是不是感觉很熟悉，从左到右依次是：乙类功率放大器，TTL与非门，上N下P型推挽电路，上P下N型推拉电路。

乙类功率放大器：
两只三极管在无驱动信号时，处于低电流状态，当加上驱动信号时，一对管子中的一只在半周期内电流上升，而另一只管子则趋向截止，到另一个半周时，情况相反，由于两管轮流工作，必须采用推挽电路才能放大完整的信号波形。（注意是放大信号）优点是效率较高（模电考试内容将优点二字改为其特点，注意别填成甲乙类功放去了！！！），理论上可达78％，缺点是失真较大。

TTL与非门的输出级：
输出级有较强的负载能力，为此将三极管的集电极负载电阻Rc换成由三极管T4、二极管D和Rc4组成的有源负载。由于T3和T4受两个互补信号Ve2和Vc2的驱动，所以在稳态时，它们总是一个导通，另一个截止。这种结构，称为推拉式输出级。（注意是当做开关来使用）

关于后两种电路的区别和联系，大家可以参考电子大佬的文章，我直接粘贴出其结论：

大家可以回过头看一下STM32的GPIO采用推挽输出是哪一种。。。

这里区分几个概念，细心地人已经发现：
推挽输出： 推挽电路使用两个参数相同的三极管，以并接方式存在于电路中，其中他们的射极连接成输出端。电路工作时，两只对称的三极管每次只有一个导通，所以导通损耗小、效率高。输出既可以向负载灌电流，也可以从负载抽取电流。

互补输出： 互补电路也是一种推挽功放电路，不同之处是互补电路用两种极性不同的晶体管,各自工作在输入信号的正、负半周,所以不再需要倒相电路进行倒相。而用同极性晶体管构成的推挽功放,则需要倒相电路来得到两个幅度相等、相位相反的推动信号。

推拉输出： 以并接方式存在于电路中，其中他们的集电极连接成输出端。其实质只有一只管子起到开关作用，另一只作为其有源负载，推拉式输出级既提高电路的负载能力，又提高开关速度。

总结

没有任何的计算，没有电路的具体分析，大体上还是浅显易懂的。其实这是我早就想写出来的文章，因为去年复习模数电时，遇到很多长得差不多的电路图，就比如这里的几个输出级电路，当时还是比较懵逼的，明明就两只三极管，为此也查看了一些大佬的文章，颓然发现不是电路图难，原来是我太菜了😅。。。看来还是要多多学习啊，反正知识学到了就是自己的东西了，别人也拿不去，何乐而不为呢。

问大家一个问题：在梦里梦到一个好几年不见的人代表着什么？