【运动控制】关于GPIO的NPN型输入与NPN漏型输入

1.背景

NPN型和NPN漏型都是与NPN晶体管相关的术语，但它们在电路应用和连接方式上有一些差异。
一般来说，GPIO的通用输入采用NPN型，而通用输出采用的是NPN漏型。

以下是NPN型数字/低速输入的相关博客：
【运动控制】关于GPIO通用输入口是NPN型数字输入

https://blog.csdn.net/jn10010537/article/details/142633595

1.1、三极管结构：
三极管的工作原理主要依赖于半导体的PN结特性，三极管有两种基本类型：NPN和PNP。
NPN三极管由三个区域构成：发射极（E）、基极（B）和集电极（C），示意图如下：

如上图所示，发射极Emitter是N型半导体，基极Base是P型半导体，集电极Collector是N型半导体。

1.2、三极管的三种工作状态:
a、放大状态：
当基极Base，加上微弱的正向电压时（大于PN结的导通电压，并处于某一恰当的值），发射极与基极之间形成正向偏置（此时集电结反向偏置），电子从发射极注入到基极。这些电子在基极中的少数载流子（正孔）中复合，产生少量的电流，但大部分电子会继续移动到集电极，形成集电极电流。

注意：
这时基极类比为水龙头阀门，阀门孔由小到最大的过程，集电极流出的电流不断变大！
基极电流对集电极电流起着控制作用，使三极管具有电流放大作用，即这时三极管处放大状态。放大状态下，集电极电流ΔIc = 基极电流ΔIb × 放大系数β；

电子带负电荷，即电子运动方向与电流方向相反，将其带入电路，示意图如下：

b、饱和状态：
当基极电流足够大时，发射极Emitter与基极Base之间 和 基极Base与集电极Collector之间均为正向偏置，三极管处于饱和状态，集电极和发射极之间电阻很小，电流流动非常大。
即当基极电流增大到一定程度时，集电极电流不再随着基极电流的增大而增大，而是维持在一个值附近变化。集电极Collector与发射极Emitter之间的电压降Uce很小，大约是0.1V，相当于集电极和发射极之间处于开关的导通状态。
三极管的这种状态我们称之为饱和导通状态。
现实世界里，当电压足够大时候，一切电阻被击穿，可以认为是导体，比如雷雨天气你和大地之间相对于高压云层可以认为是导体，直接饱和状态通过电流。

c、截止状态：
当基极没有足够的电压时，即小于PN结的导通电压，基极电流为零。
发射极Emitter与基极Base之间的PN结处于反向偏置状态，三极管不导通，
集电极Collector与发射极Emitter之间没有电流流动，集电极Collector和发射极Emitter之间相当于开关的断开状态，称为截止状态。

注意：
以上基极电压是相对于发射极（接地回路负极）；

2.NPN型输入

在GPIO（通用输入输出）电路中，采用NPN型输入是一种常见的输入配置，尤其在工业设备、传感器和开关信号采集中。

在NPN型输入配置中，外部设备（负载或信号输出端）通过NPN晶体管的集电极连接到GPIO引脚，而NPN晶体管的发射极通常连接到地。外部信号通过NPN晶体管的基极控制其导通状态。

当输入信号为高电平（或逻辑1）时，NPN晶体管的基极与发射极之间形成正向偏置，晶体管导通，集电极连接到地，GPIO引脚检测到低电平（逻辑0）。

当输入信号为低电平（或逻辑0）时，NPN晶体管截止，集电极与发射极之间无电流流动，GPIO引脚通过上拉电阻呈现出高电平（逻辑1）。

以上PIO引脚检测是指集电极Collector 和 发射集Emitter之间的电压：
集电极（C）：连接到负载或信号输出端。（当传感器被激活时，集电极通过开关与发射极连接）
发射极（E）：连接到地（GND），形成回路。

以下是常见的接线参考图：

注意：
光电耦合器其实就是发光二极管和光敏（三极管）封装在一起！
发光二极管把输入的电信号转换为光信号，光敏管捕获到光将光波转换为电信号输出，
没有直接的电气连接，隔离的干扰并耦合的传输信号。

3.NPN漏型输入

所谓叫“漏型”即漏电流：
在NPN漏型中，尤其在截止状态或某些工作条件下，晶体管可能会存在微小的漏电流，这种电流在实际应用中需要考虑。这就是“漏型”名称的由来。

NPN型与NPN漏型的晶体管不同：
NPN型：标准的NPN晶体管，由N型（发射极）-P型（基极）-N型（集电极）构成。
NPN漏型：特指在某些应用中强调漏电流特性的NPN型晶体管，通常用于高频或低功耗应用。NPN漏型晶体管具有较低的导通电阻，能够快速响应输入信号，适合处理快速变化的脉冲信号。

NPN漏型配置主要用于输出电路，但它的概念可以间接应用于输入电路。
可以使用NPN漏型输入来采集高速输入（脉冲输入）信号。

在GPIO的高速输入中采用NPN漏型，主要是为了快速响应和降低噪声干扰。NPN漏型可以提供较低的导通电阻，有助于快速充放电，从而实现更高的输入速度。

具体来说，NPN漏型通常不直接用于输入电路，但可以通过某些设计实现相似功能。
3.1、开漏输入：
可以使用开漏输入配置与NPN晶体管结合，实现传感器或外部设备的输入信号采集。这种情况下，输入信号通过一个外部的NPN晶体管（作为开漏配置）连接到GPIO引脚。

3.2、如何实现
外部信号（如传感器输出）连接到NPN晶体管的基极。
集电极连接到GPIO引脚，发射极连接到地。
GPIO引脚通过上拉电阻连接到正电源。
当外部信号高电平时，NPN晶体管导通，GPIO引脚被拉低；
当外部信号低电平时，GPIO引脚通过上拉电阻被拉高。

以下是常见的接线参考图：