灌電流
灌電流指電流由外部向端口內流入，示例電路如下圖所示：
圖一
PIN腳LED1與單片機的GPIO相連。我們知道，當LED1輸出為低電平時，LED燈RUN才會亮；針對上圖，我們一般會有下面兩個疑問：
- 為什麼要串聯R6？
- R6的值如何確定？
問題1要從LED燈RUN開始說起。發光二極管是消耗功率的器件，以億光的一種紅色貼片發光二極管為例，查看手冊，可以看到其部分參數說明如下圖：
圖二
由上圖②可知這款發光二極管的最大功耗為60mW，又P=UI，且極限條件下IF=25mA，可算得U=2.4V，即發光二極管的極限電壓為2.4V；由上圖③可知，這款發光二極管正常工作狀態下VF取值范圍為1.7V~2.2V，如果直接用3.3V的電壓給到發光二極管時極有可能會把二極管燒壞，因此串聯一個電阻可以分壓，電阻分掉電源加在二極管上的電壓，電壓小瞭，發光二極管的電流也就小瞭，即該電阻實際上起到限流作用。
單片機的GPIO口對灌電流和拉電流有明確的要求，這裡以STM32G030C8T6為例，查看數據手冊，如下圖：
圖三
通過手冊我們可以瞭解到，STM32G030C8T6這款單片機GPIO口的輸出電流為±6mA,灌入電流為±15mA(對於STM32F系列的芯片，輸出電流一般能達到±8mA,灌入電流一般能達到20mA)。因此，如果灌入單片機IO口的電流超過最大灌入電流允許值，會燒壞單片機的IO口。
綜上，串聯電阻R6是為瞭限流，防止發光二極管燒毀和GPIO燒壞。
對於問題2，由於該電路是串聯電路，滿足公式：VCC=I*R6+UF，VCC即3.3V，UF的取值范圍為1.7~2.2V，IF取典型值5mA（IF要小於單片機能承受的最大灌入電流），綜上就可以算出R6的取值范圍在220R-320R之間（實際電路中IF較小，R6的取值需根據實際的電流計算）。
拉電流
拉電流指電流由內部端口向外部流出，示例電路如下圖所示：
圖四
上圖所示的電路是利用三極管來控制發光二極管WHITE1的亮滅，電路中CTRL連接單片機的GPIO，我們知道：當CTRL輸出高電平時，三極管導通，形成完整回路，發光二極管點亮。由上圖引出三個問題：
- 三極管在此的作用是什麼？
- 三極管如何選型？
- 各電阻的作用，以及如何取值。
對於問題1，從三極管的一些基本知識說起。三極管內部結構有集電區、基區和發射區這三個區域，包含集電結和發射結兩個PN結。從對應的區域引出的電極分別稱為集電極(c)、基極(b)、發射極(e)。從結構上可以分為NPN型三極管和PNP型三極管。
正向偏置：假設在PN結上外加一個正向電壓，即電源的正極接P區，電源的負極接N區，稱為正向偏置；反向偏置則相反。當PN結正向偏置時，回路中將產生一個較大的正向電流，PN結處於導通狀態，當PN結反向偏置時，回路中的反向電流非常小，幾乎等於0，PN結處於截至狀態。正向偏置時，隻要在PN結兩端加上一個很小的正向電壓，就可得到較大的正向電流，為防止回路中電流過大，一般可以串聯一個電阻。
當輸入回路中的電流iB不變時，輸出回路中的電流Ic與電壓Uce之間的關系稱為輸出特性曲線，在輸出特性曲線上可以劃分為截止區、放大區和飽和區。NPN型三極管的輸出特性如下圖所示：
圖五
一般將ib≤0的區域稱為截止區。在截止區，三極管的發射結和集電結都處於反向偏置狀態，對於NPN型三極管來說，Ube<0，Ubc<0。在放大區，當iB的值一定時，ic的值基本不隨Uce而變化。當基極電流有一個較小的變化量Δib時，相應地集電極電流將產生較大的變化量Δic，即有如下關系：Δic=βΔib，體現三極管的電流放大作用。
在放大區，三極管的發射結正向偏置，集電結反向偏置，對於NPN型三極管來說，Ube>0，Ubc<0。當uce較小時，管子的集電極電流ic基本不隨基極電流ib而變化，這種現象稱為飽和。在飽和區，三極管失去放大作用，發射結和集電結都處於正向偏置狀態，對於NPN型三極管來說，Uce>0，Ubc>0。
回到問題上，判斷三極管的作用，應該從需求出發。我們需要用端口CTRL控制發光二極管的亮滅，則需要三極管在此處充當開關作用。當三極管做“關”作用時，ib≤0，可以認為三極管工作在截止區；當三極管做“開”作用時，需要有電壓從集電極到發射極，即uce>0，當三極管充當開關作用時，我們希望三極管的壓降盡可能地小，以至於能通過更大的電壓，由三極管的輸出特性曲線可知，三極管“開”作用應該工作在飽和區。
當uce=ube，即ucb=0時，三極管到達臨界飽和狀態，通常對於矽管而言，臨界飽和時三極管的集電極和發射極之間的飽和壓降Uces=0.7V。三極管臨界飽和時基極應註入的電流為：Ibs=(VCC-Uces)/βRc，可通過對比基極偏置電流Ib與Ibs的大小關系來判斷三極管處於何種狀態：當Ib≥Ibs時，三極管處於飽和狀態，當0<Ib<Ibs時，三極管處於放大狀態。
對於問題2，選用三極管做開關作用時需要瞭解以下主要參數：
- 集電極最大允許電流ICM：規定三極管電流放大系數β變化不超過允許值時的集電極最大電流稱為ICM，當三極管的集電極電流超過一定數值時，其電流放大系數β將下降，因此在使用時應使ICM大於實際最大工作電流icmax的兩倍以上；
- BVCEO是三極管基極開路時，集電極-發射極反向擊穿電壓：如果在使用中加載集電極和發射極之間的電壓超過這個數值時，將可能使三極管產生很大的集電電流，這種現象稱為擊穿；小功率三極管BVCEO的選擇可以根據電路中電源電壓決定，一般情況下要求三極管的BVCEO大於電路中的電源最高電壓即可；
- PCM是三極管最大允許耗散功率；三極管工作時，管子兩端的壓降為uCE，集電極流過的電流為ic，損耗的瞬時功率為pc=IcUce,集電極電流在集電結上會產生熱量而使三極管發熱，若耗散功耗過大，三極管性能會下降。
- 反向飽和電流ICBO和穿透電流ICEO：實際選用三極管時，要求三極管的ICBO和ICEO盡可能小一些，這兩個反向電流的值越小，表明三極管的質量越高。
對於問題3，先明確各電阻的作用。R4的作用是限流，當三極管導通時電路有以下關系：5V=IR4+VF+Uces，其中發光二極管VF的工作電壓約為1.7V，三極管飽和壓降Uces約為0.7V，電路中的工作電流可根據流過發光二極管的電流大約估算（參考圖二取5mA），這樣就可以大約確定R4的值。
R6的作用同樣是限流，我們先忽略R7，根據發光二極管中正向電壓VF，在確定三極管型號後，可以知道其放大倍數，由ic=βib可以算出R6的電流，這裡取單片機輸出3.3V電壓，二極管的VF即ic取5mA、三極管的β為100且導通時Vbe為0.7V，則加在基極的限流電阻Rb=(3.3V-0.7V)/(ic/β)=52K，也就是說隻要Rb<52K，三極管就能工作在飽和狀態。
R7的作用是下拉，因為單片機上電瞬間GPIO口的電平是不確定的，添加下拉電阻是防止單片機在上電瞬間出現誤操作，從而偏離預設。
上拉電阻和下拉電阻
上拉：把一個不確定的信號通過電阻連接到高電平，即電信號初始化為高電平（對輸入而言）。
下拉：把一個不確定的信號通過電阻連接到低電平，使電信號初始化為低電平（對輸出而言）。
單片機在上電瞬間引腳的電平是不確定的，上拉和下拉電阻是為瞭防止其在上電瞬間發生誤動作，提高電路的穩定性。在單片機輸出高電平時，受其他外圍電路的影響單片機在輸出高電平時不足以達到VCC狀態，因此會影響整個系統的正常工作，因此上拉電阻能提高輸出管腳的帶負載能力。
幹貨｜上拉電阻和下拉電阻的定義、作用、應用案例及阻值選擇-面包板社區
TTL驅動CMOS：標準的TTL電平的VOHmax(高電平輸出最大值)為2.4V，而CMOS的VIHmin（高電平輸入最小值）為3.5V，當TTL驅動CMOS時，TTL輸出高電平時CMOS可能無法有效識別高電平，因此可在TTL輸出上加上一個上拉電阻，將TTL的輸出高電平提高到5V，使CMOS有效識別；TTL低電平驅動CMOS時，TTL的VOLmax（低電平輸出最大值）為0.5V，小於CMOS的VILmax（低電平輸入最大值）的1.5V，因此TTL的低電平可以正常被CMOS識別。
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