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最全講解上下拉電阻

時間：2021-12-07 11:30:42
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[導(dǎo)讀]▼關(guān)注公眾號：工程師看海▼1.拉電流和灌電流電子元器件在廣義上分為有源器件和無源器件。有源器件需要電源（能量）才能實(shí)現(xiàn)其特定的功能，比如運(yùn)算放大器在有輸入信號的前提下，如果不提供電源，運(yùn)算放大器無法實(shí)現(xiàn)其放大功能。無源器件在工作時，不需要外加電源，只要輸入信號就能正常工作，比如在...


1. 拉電流和灌電流


電子元器件在廣義上分為有源器件和無源器件。


有源器件需要電源（能量）才能實(shí)現(xiàn)其特定的功能，比如運(yùn)算放大器在有輸入信號的前提下，如果不提供電源，運(yùn)算放大器無法實(shí)現(xiàn)其放大功能。


無源器件在工作時，不需要外加電源，只要輸入信號就能正常工作，比如在信號線上串聯(lián)33Ω的電阻，無論是否提供電源，只要有信號經(jīng)過，電阻就能實(shí)現(xiàn)限流的作用。

通常定義流入器件的電流為正，流出器件的電流為負(fù)。
器件輸入端有電流流進(jìn)時，稱為吸電流，屬于被動；器件輸出端有電流流出時，稱為拉電流，屬于主動；器件輸出端有電流流入時，稱為灌電流，屬于被動。下面以運(yùn)算放大器工作為例。




對電源來說，運(yùn)算放大器屬于負(fù)載，電源提供電流讓其正常工作，此時運(yùn)算放大器在吸收電流。




對運(yùn)算放大器來說，當(dāng)它輸出高電平，提供負(fù)載電流時，此時電流方向?yàn)樨?fù)，稱為拉電流；當(dāng)它輸出低電平，消耗負(fù)載電流，此時電流方向?yàn)檎Q為灌電流。






2. 上/下拉電阻定義


在電子元器件間中，并不存在上拉電阻和下拉電阻這兩種實(shí)體的電阻，之所以這樣稱呼，原因是根據(jù)電阻不同使用的場景來定義的，其本質(zhì)還是電阻。就像去耦電容，耦合電容一樣，也是根據(jù)其應(yīng)用場合來取名，其本質(zhì)還是電容。



上拉電阻的定義：在某信號線上，通過電阻與一個固定的高電平VCC相接，使其電壓在空閑狀態(tài)保持在VCC電平，此時電阻被稱為上拉電阻。




同理，下拉電阻的定義：將某信號線通過電阻接在固定的低電平GND上，使其空閑狀態(tài)保持GND電平，此時的電阻被稱為下拉電阻。



如下圖所示，R1為上拉電阻，R2為下拉電阻。如果R1的阻值在上百K，能提供給信號線上負(fù)載電流非常小，對負(fù)載電容充電比較慢，此時電阻被稱為弱上拉。




同理當(dāng)下拉的電阻非常大時，導(dǎo)致下拉的速度比較緩慢，此時的電阻被稱為弱下拉。而當(dāng)上下拉的電平可以提供較大的電流給芯片時，此時的電阻被稱為是強(qiáng)上拉或強(qiáng)下拉。







3. 上/下拉電阻的應(yīng)用
根據(jù)上拉電阻和下拉電阻的含義，最常見的幾種用法如下。



（1）用在OC/OD門



所謂OC門就是Open Collector，集電極開路，如下圖所示：





所謂OD門就是Open Drain，漏極開路，如下圖所示。






因此，OC門是針對三極管來說，OD門是針對MOS管來說。從OC門和OD電路可以看出，當(dāng)輸入電平為H時，輸出電平為L，當(dāng)輸入電平為L時，此時輸出電平為不穩(wěn)定的狀態(tài)，即高阻態(tài)，容易受到外界的干擾。
OC門和OD門不具備輸出高電平的能力。此時，如果在集電極或漏極上增加上拉電阻，如下圖所示：



當(dāng)輸入為高電平時，輸出還是為低；輸出為低電平時，輸出電平為VCC。此時的OC門和OD門就具備了輸出高、低電平的功能，而且電平被固定的鉗位在VCC或者GND。



（2）用在按鍵電路



按鍵電路的工作原理是當(dāng)按鍵未被按下和按下時電平取反，MCU通過檢測到該管腳的信號電平被取反了，判斷按鍵是否被按下。原理圖如下：






當(dāng)按鍵未被按下時，此時MCU的IO口檢測到高電平；當(dāng)按鍵被按下時，此時檢測到低電平.上拉電阻是為了保證按鍵未被按下時處于一個固定的高電平。



（3）用在IIC總線




IIC總線上的上拉電阻是必須要增加的，為了保證空閑狀態(tài)時，SDA和SCL都處于高電平。






當(dāng)IIC協(xié)議用在電平是3.3V以上時，推薦使用4.7K的上拉電阻。當(dāng)電壓小于3.3V時，推薦使用2.2~3K左右的上拉電阻（經(jīng)驗(yàn)值）。



（4）用在邏輯IC懸空的管腳



數(shù)字邏輯電路中由于內(nèi)部邏輯門會同時開通和關(guān)斷，SSN噪聲相比一般的電路較大，管腳懸空就比較容易受到芯片內(nèi)部和外界的電磁干擾，在數(shù)字電路中不用的輸入腳都要接固定電平，通過推薦使用1k電阻接高電平或接地。



（5） 用在終端匹配



上下拉電阻經(jīng)常用在高速電路中，進(jìn)行終端匹配。由于傳輸線的阻抗不連續(xù)會引起信號號的反射，導(dǎo)致波形出現(xiàn)過沖，回溝，振鈴等現(xiàn)象。因此，必須在傳輸上進(jìn)行源端和終端的匹配。



終端匹配常規(guī)來說具有兩種類型，并聯(lián)端接和戴維南端接。



并聯(lián)端接——在終端并聯(lián)一個與傳輸線特征阻抗一致的電阻到VCC或者GND。終端并聯(lián)端接的優(yōu)點(diǎn)信號能量反射回源端之前，在負(fù)載端會消除掉，缺點(diǎn)是上下拉電阻會有功耗的產(chǎn)生。




戴維南端接——戴維南端接也稱為分壓器端接，采用上拉電阻和下拉電阻同時接在終端上。優(yōu)點(diǎn)是可以降低終端對源端驅(qū)動能力的要求，缺點(diǎn)是上下拉電阻都存在功耗。






當(dāng)然，上下拉電阻還有其他很多場合根據(jù)芯片的要求或者是電路的設(shè)計需要增加上下拉電阻。比如在電平轉(zhuǎn)換電路中，可以使用上拉電阻進(jìn)行電平之間的轉(zhuǎn)換。




在單片機(jī)驅(qū)動類似LED的負(fù)載時，使用上拉電電阻可以提高I/O口的驅(qū)動能力。在三極管的BE之間增加下拉電阻，可以保證三極管在初試狀態(tài)下處于穩(wěn)定關(guān)斷的狀態(tài)。



4. 上/下拉電阻的選型


（1） 從功耗消耗的角度



上拉電阻和電源相連接，下拉電阻和GND相連接，在對電阻進(jìn)行選型時，需要考慮到電阻自身帶來的損耗。比如在按鍵電路中，電阻取10K可以滿足條件，取20K也可以滿足條件。但是明顯電阻取20k時，電阻消耗的能量會更低。在對待機(jī)有需求的電路中，需要嚴(yán)格控制上下拉電阻的取值。 （2） 從驅(qū)動能力的角度
驅(qū)動能力的大小和提供的電流有關(guān)系。比如在OC門和OD門電路中，上拉電阻取太大，在輸出高電平時，無法為后級提供較大的電流。如下圖所示，LED正常工作時需要5~10mA電流，如果電阻取太大，LED燈無法點(diǎn)亮，因此需結(jié)合LED燈的電流和電壓來選取上拉電阻。
（3） 從信號速率的角度 在IIC的總線上需要增加上拉電阻，上拉電阻太大，會減慢信號由低向高電平轉(zhuǎn)變的時間，上升沿變緩，影響信號上速率。
根據(jù)信號上拉電阻Rp的計算公式：



其中：Tr——信號上升沿爬升時間；Cs——信號線上負(fù)載的寄生電容
N——信號線上并聯(lián)器件的個數(shù)；

一般在數(shù)據(jù)手冊中會提供Tr和Cs，N為總線上并聯(lián)的器件個數(shù)和具體的使用場景有關(guān)，根據(jù)上面的參數(shù)，可以計算出上拉電阻的值。




5.  總結(jié)
本篇文章主要從四個方面對上下拉電阻進(jìn)行的歸納和總結(jié)。拉電流和灌電流是兩個經(jīng)常容易混淆的概念，因此在文章開始就進(jìn)行了說明。對于上下拉電阻的應(yīng)用并不僅僅體現(xiàn)在文章中提到的5點(diǎn)。而在選型的時候，需要從多個角度考慮器件是否能滿足電路的需求。


---The end---


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