1. 推挽电路概述与背景

• 推挽电路（Push-Pull Circuit），其在数字电路、电源驱动、IO 口设计等场景中常见。
• 实际芯片中，二输入 NAND/NOR 等基础逻辑门常采用 5-pin 封装：VCC、GND、2×Input、1×Output。

2. CMOS 反相器（推挽结构）的内部构成

• 核心结构：由一个 PMOS 与一个 NMOS 管组成，二者 源极（Source）分别接 VCC 和 GND，漏极（Drain）相连作为输出端，栅极（Gate）并联作为输入端。
• 此结构即为 互补 MOS（CMOS）反相器，也是最基础的推挽输出单元。
• 该结构无静态功耗（理想情况下），开关速度快，抗干扰能力强，是现代数字 IC 的基石。

3. MOSFET 导通/截止条件详解

MOSFET 是电压控制型器件，其导通取决于栅源电压 VGS与阈值电压 VTH 的关系：

NMOS：

• 导通条件：VGS>VTN​（VTN>0，典型值 0.4~1.2 V）
• 截止条件：VGS<VTN

PMOS：

• 导通条件：VGS<VTP​（VTP<0，典型值 -0.4 ~ -1.2 V）
• 等价表述：∣VGS∣>∣VTP∣ 且 VGS<0
• 截止条件：VGS>VTP即 VGS大于负阈值，如 VGS=−0.2 V 而 VTP=−1.0 V，则不导通）

4. 推挽电路工作原理：输入为低电平（逻辑 0）

• 输入 VIN=0（接地）
• 对 PMOS：VGS=VG−VS=0−VCC=−VCC​
  • 因 −VCC<VTP​（如 VCC=3.3 V,VTP=−1.0 V），满足导通条件 → PMOS 导通
• 对 NMOS：VGS=0−0=0<VTNVGS​=0−0=0<VTN​ → NMOS 截止
• 输出端通过导通的 PMOS 连接到 VCC → 输出为高电平（逻辑 1）

5. 推挽电路工作原理：输入为高电平（逻辑 1）

• 输入 VIN=VCC
• 对 PMOS：VGS=VCC−VCC=0>VTP（因 VTP<0）→ PMOS 截止
• 对 NMOS：VGS=VCC−0=VCC>VTN→ NMOS 导通
• 输出端通过导通的 NMOS 连接到 GND → 输出为低电平（逻辑 0）

结论：该电路实现 非门（Inverter）功能：Y=X‾

6. “推”与“挽”（拉）的物理含义：电流方向分析

名称来源源于输出级对负载的驱动方式：

“推”（Push）：

• 当上管（PMOS）导通、输出为高时，电流从 芯片内部（VCC）→ 输出端 → 负载 → 地
• 电流由芯片“推出”至外部负载 → 称为 ** sourcing current（拉电流 / 提供电流）**

  注：术语易混。“拉电流”（sourcing current）指芯片向外提供电流；“灌电流”（sinking current）指芯片吸收电流。视频中将“推出”称为“推”，符合工程习惯。

“挽”（Pull，或 Pull-down）：

• 当下管（NMOS）导通、输出为低时，电流从 负载 → 输出端 → 芯片内部（GND）
• 电流被芯片“拉入”内部 → 称为 ** sinking current（灌电流）**

关键点：推挽结构可同时提供拉电流与灌电流能力，驱动能力强，输出阻抗低，适用于高速、大电流场景。

7. 推挽电路结构总结与设计要点

• 基本结构：
  • 上管：PMOS，Source 接 VCC，Drain 接 Output
  • 下管：NMOS，Source 接 GND，Drain 接 Output
  • Gate 并联接 Input
• 关键特性：
  • 无静态功耗（两管永不同时导通，理想情况下）
  • 输出摆幅接近 rail-to-rail（0 ~ VCC）
  • 高驱动能力（可直接驱动 LED、小电机等）
• 设计注意：
  • 需避免输入电平处于阈值附近导致两管部分导通 → 产生直通电流（shoot-through current），造成功耗与发热
  • 实际中常加入死区时间（dead time）控制或使用施密特触发输入改善噪声容限

8. 对比：开漏输出（Open-Drain）结构

• 结构差异：仅保留 NMOS（或 PMOS），去掉上管（PMOS），输出端需外接 上拉电阻 到 VCC。
• 工作特点：
  • 输出高电平时：NMOS 截止，靠上拉电阻将 Output 拉至 VCC
  • 输出低电平时：NMOS 导通，Output 接地
• 优势：
  • 支持电平转换（如 3.3V MCU 驱动 5V 总线）
  • 多设备线与（Wire-AND），用于 I²C、1-Wire 等总线
• 劣势：
  • 上升沿速度受上拉电阻与负载电容限制（RC 时间常数）
  • 无法主动“推”高电平，驱动能力弱于推挽