来源：智慧事
集电极开路输出的结构如图1所示。右边三极管的集电极没有接任何东西，所以叫集电极开路。左边的晶体管用于反相，这样当输入为“0”时，输出也为“0”。对于图1，当左端输入为“0”时，前置晶体管关断，于是5v电源通过1k电阻加到右边晶体管上，右边晶体管导通；当左端输入为“1”时，前晶体管导通，后晶体管截止。
我们将图1简化为图2。显然，当开关闭合时，输出直接接地，因此输出电平为0。当开关关断时，输出暂停，即高阻态。此时，水平状态未知。如果后一个电阻加载到地，输出端的电平会被这个负载拉低，所以这个电路不能输出高电平。
图3中的1k电阻是上拉电阻。如果开关闭合，电流会流过1k电阻和开关。但由于开关闭合时电阻为0(方便我们讨论，实际情况下开关电阻不为0，晶体管存在饱和压降)，开关上的电压为0，即输出电平为0。如果开关关断，由于开关电阻无穷大(同上，不考虑实际漏电流)，流过的电流为0，所以1k电阻两端的压降也为0，所以输出端的电压为5v，这样就可以输出高电平。
但是这个输出的内阻比较大，也就是1k。如果接一个电阻为r的负载，通过分压计算可以计算出最终输出电压为5*r/(r 1000)伏。因此，如果要达到某个电压，R一定不能太小。如果R真的太小，导致输出电压不足，那么我们只能通过降低1k的上拉电阻来增加驱动能力。
但上拉电阻不能太小，因为开关闭合时会产生电流，开关能流过的电流有限，从而限制了上拉电阻值。另外，要考虑到输出电平较低时，负载可能会提供一部分电流流过开关，所以需要结合这些电流考虑来选择合适的上拉电阻。
如果我们把一个读取数据的输入端连接到输出端，那就是一个IO口，51的IO口就是这样的结构，P0口内部不上拉，其他三个端口内部上拉。当我们要使用输入功能时，只需要将输出端口设置为1，相当于开关被关断，而对于P0端口，则是高阻态。
排水明沟
对于开漏(OD)输出，它非常类似于集电极开路输出。用场效应晶体管代替上面的三极管。这样集电极变成了漏极，OC变成了OD，原理分析也是一样的。OC门主要用在三个方面：实现NAND逻辑，电平移位，驱动器。
开漏形式的电路特性
利用外部电路的驱动能力，减少IC内部驱动，或者驱动比芯片供电电压高的负载。
一条线上可以连接多个开漏输出引脚。通过一个上拉电阻，在不增加任何器件的情况下形成AND逻辑关系。这也是I2C、SMBus等公交车判断公交车占用状况的原则。
因为漏级开路，后级电路必须连接上拉电阻，上拉电阻的电源电压可以决定输出电平。这样就可以进行任何级别的转换。
开源电路提供了灵活的输出方式，但也有其弱点，就是上升沿的延迟。由于上升沿通过外接上拉无源电阻给负载充电，选择电阻时延迟小，但功耗大；反之，延迟大，功耗小。因此，如果对延迟有要求，建议使用下降沿输出。
推挽输出
另一种输出结构是推挽输出。推挽输出的结构是用开关代替上拉电阻。当要输出高电平时，上部开关打开，下部开关关闭。然而，当输出电平较低时，情况正好相反。
与OC或OD相比，这种推挽式结构在高低电平都有很强的驱动能力。如果两个不同电平的输出端口连接在一起，会产生很大的电流，可能会烧坏输出端口。上面说的OC或OD输出不会有这种情况，因为上拉电阻提供的电流比较小。如果推挽输出设置为高阻态，两个开关必须同时关断(或者在输出端口使用传输门)，可以作为输入状态。AVR单片机的部分IO口就是这种结构。
两种形式的驱动电路
单片机内部逻辑需要经过内部逻辑运算后输出到外部，外部器件可能需要大电流驱动，所以单片机的输出端口必须有驱动电路。
1、采用N型晶体管。
其中之一是使用N型晶体管—— NPN或N沟道。以NPN晶体管为例，即E接地，B接内部逻辑运算，C引出。内部驱动B来控制三极管是否导通，但如果三极管的C极一直悬空，那么尽管B极上有高度变化，C极上也不会有高度变化。所以在这种情况下，必须外接一个电阻，电阻的一端接C(端)，另一端接电源，这样当三极管的B有高电压时，三极管导通，C电压低；当B为低电压时，三极管截止，C极在电阻的拉动下为高电压。
这个驱动电路有一个特点：低压由三极管驱动，高压由电阻驱动。——上下不对称。三极管导通时，ec内阻很小，可以提供很大的电流，可以直接驱动led甚至继电器。但是电阻的驱动是有限的，最大高电平输出电流=(VCC-VH)/R
2、使用两个晶体管。
另一种是互补推挽输出，用两个晶体管，一个在上面，一个在下面，上面的是N型，下面的是P型(以三极管为例)。两管的连接是：NPN(上)的C接VCC，PNP(下)的C接地，两管的ee和bb相连，其中ee是输出(引脚)，bb接内部逻辑。这种电路通常用在功率放大电路的末级(音频)。当bb接高电压时，NPN管导通输出高电压。因为三极管的ec电阻很小，所以输出的高压驱动能力很强。bb接低电压时，NPN关断，PNP导通。因为三极管的ec电阻很小，所以输出的低电压驱动能力很强。
举个简单的例子，当9013打开时，ec电阻小于10欧姆。基于Vh=2.5v，VCC=5v，高电平最大输出电流=250MA，短路电流为500ma。这个计算也告诉我们，在使用推挽输出的时候，一定要注意不要有外部电路短路的可能，否则会烧坏芯片，尤其是外部驱动三极管的时候，别忘了在三极管的基极加一个限流电阻。推挽输出电路有多种形式。有些单片机上下使用N型管，但内部逻辑提供互补输出。以上描述只是为了说明推挽的原理，你可以参考功放电路进行更深入的了解。
上拉阻力和弱上拉
上拉电阻很大，提供的驱动电流很小，称为弱上拉，反之亦然。
1、为什么要使用拉电阻？
上拉是指不确定信号通过一个电阻嵌入高电平，电阻也起到了限流的作用，下拉也是如此。上拉是注入器件的电流，下拉是输出电流。弱强度只是上拉电阻的阻值，没有严格的区分。
对于非OC、OD输出电路，提升电流和电压的能力有限，上拉电阻的作用主要是为集电极开路输出电路输出电流通道。
2、 Mai
OC门电路输出“1”时，需要加一个拉电阻，没有拉电阻根本没有高电平。
为了增加输出管脚的驱动能力，一些单片机的管脚上经常使用上拉电阻，但是当使用OC门进行驱动(比如控制一个LED)时，就不需要增加上拉电阻了。
在COMS芯片上，为了防止静电造成的损坏，不使用的引脚不能被悬挂。通常，连接上拉电阻是为了降低输入阻抗并提供放电路径。
提高总线的抗电磁干扰能力。引脚悬空时更容易接受外界电磁干扰。
长线传输中电阻不匹配容易造成反射波干扰，下拉电阻为电阻匹配，有效抑制反射波干扰。
3、上拉电阻阻值的选择原则包括：
在节省功耗和芯片的电流注入能力方面要足够大；高电阻和低电流。
它应该足够小，以保证足够的驱动电流；低电阻和高电流。
对于高速电路，过大的上拉电阻可能会使边沿变平。
综合考虑以上三点，通常选择在1k-10k之间。下拉电阻也是如此。
三态门
在高阻抗状态下，引脚与地之间的电阻为无穷大，因此读取引脚电平时可以读取实际电平值。高阻态的重要作用是输入时I/O(输入/输出)口用来读取外部电平。一般一个门电路和其他电路的连接无非是两种状态，1或者0。在更复杂的系统中，为了在传输线上传输不同分量的信号，开发了相应的逻辑器件，称为三态门。
三态门，除了这两种状态，还有一种高阻态，就是高阻抗(电阻大，相当于开路)。相当于门极和与之相连的电路断开了。三态门是具有扩展逻辑功能和控制开关的输出级。
主要用于总线连接，因为总线一次只允许一个用户。通常，多个器件连接到数据总线，每个器件由OE/CE等信号选通。如果设备没有门控，则处于高阻状态，也就是没有连接到总线上，不会影响其他设备的工作。
准双向端口
准双向端口只能有效读0，而读1是非零的，即读的时候先写1到IO再读。真正的双向端口，顾名思义，就是真正的双向IO，不需要任何前置操作就可以直接读入和读出。
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