上拉/下拉电阻基础知识

上拉/下拉电阻基础知识

引用

CSDN

1.

https://m.blog.csdn.net/qq_38829542/article/details/141938620

上拉/下拉电阻基础知识

一、什么是上拉电阻？什么是下拉电阻？

• 上拉就是将不确定的信号通过一个电阻嵌位在高电平！电阻同时起限流作用！下拉同理！
• 上拉是对器件注入电流，下拉是输出电流；弱强只是上拉电阻的阻值不同，没有什么严格区分；对于非集电极（或漏极）开路输出型电路（如普通门电路）提升电流和电压的能力是有限的，上拉电阻的功能主要是为集电极开路输出型电路输出电流通道。

二、上拉电阻及下拉电阻作用：

1. 提高電壓准位：

• a. 当TTL 电路驱动COMS 电路时，如果TTL 电路输出的高电平低于COMS 电路的最低高电平（一般为 3.5V），这时就需要在TTL 的输出端接上拉电阻，以提高输出高电平的值。
• b. OC 门电路必须加上拉电阻，以提高输出的搞电平值。

2. 加大输出引脚的驱动能力，有的单片机管脚上也常使用上拉电阻。

3. N/A pin 防靜電、防干擾：

• 在 COMS 芯片上，为了防止静电造成损坏，不用的管脚不能悬空，一般接上拉电阻产生降低输入阻抗，提供泄荷通路。同時管脚悬空就比较容易接受外界的电磁干扰。

4. 电阻匹配，抑制反射波干扰：

• 长线传输中电阻不匹配容易引起反射波干扰，加上下拉电阻是电阻匹配，有效的抑制反射波干扰。

5. 預設空閒狀態/缺省電位：

• 在一些 CMOS 输入端接上或下拉电阻是为了预设缺省电位.当你不用这些引脚的时候, 这些输入端下拉接 0 或上拉接 1。在I2C 总线等总线上，空闲时的状态是由上下拉电阻获得。

6. 提高芯片输入信号的噪声容限：

• 输入端如果是高阻状态，或者高阻抗输入端处于悬空状态，此时需要加上拉或下拉，以免收到随机电平而影响电路工作。同样如果输出端处于被动状态，需要加上拉或下拉，如输出端仅仅是一个三极管的集电极。从而提高芯片输入信号的噪声容限增强抗干扰能力。

三、上拉电阻阻值的选择原则包括:

1. 从节约功耗及芯片的灌电流能力考虑应当足够大；电阻大，电流小。
2. 从确保足够的驱动电流考虑应当足够小；电阻小，电流大。
3. 对于高速电路，过大的上拉电阻可能边沿变平缓。
   综合考虑以上三点,通常在1k 到 10k 之间选取。对下拉电阻也有类似道理。

四、原理

• 上拉电阻实际上是集电极输出的负载电阻。不管是在开关应用和模拟放大，此电阻的选则都不是拍脑袋的。工作在线性范围就不多说了，在这里是讨论的是晶体管是开关应用，所以只谈开关方式。找个TTL器件的资料单独看末级就可以了，内部都有负载电阻根据不同驱动能力和速度要求这个电阻值不同，低功耗的电阻值大，速度快的电阻值小。
• 但芯片制造商很难满足应用的需要不可能同种功能芯片做许多种，因此干脆不做这个负载电阻，改由使用者自己自由选择外接，所以就出现 OC、OD输出的芯片。由于数字应用时晶体管工作在饱和和截止区，对负载电阻要求不高，电阻值小到只要不小到损坏末级晶体管就可以，大到输出上升时间满足设计要求就可，随便选一个都可以正常工作。
• 但是一个电路设计是否优秀这些细节也是要考虑的。集电极输出的开关电路不管是开还是关对地始终是通的，晶体管导通时电流从负载电阻经导通的晶体管到地，截止时电流从负载电阻经负载的输入电阻到地，如果负载电阻选择小点功耗就会大，这在电池供电和要求功耗小的系统设计中是要尽量避免的，如果电阻选择大又会带来信号上升沿的延时，因为负载的输入电容在上升沿是通过无源的上拉电阻充电，电阻越大上升时间越长，下降沿是通过有源晶体管放电，时间取决于器件本身。因此设计者在选择上拉电阻值时，要根据系统实际情况在功耗和速度上兼顾。

五、从 IC(MOS 工艺)的角度,分别就输入/输出引脚做一解释:

• 对芯片输入管脚：若在系统板上悬空(未与任何输出脚或驱动相接)是比较危险的.因为此时很有可能输入管脚内部电容电荷累积使之达到中间电平(比如 1.5V), 而使得输入缓冲器的PMOS 管和NMOS 管同时导通, 这样一来就在电源和地之间形成直接通路, 产生较大的漏电流, 时间一长就可能损坏芯片. 并且因为处于中间电平会导致内部电路对其逻辑(0 或1)判断混乱. 接上上拉或下拉电阻后, 内部点容相应被充(放)电至高(低)电平, 内部缓冲器也只有NMOS(PMOS)管导通, 不会形成电源到地的直流通路. (至于防止静电造成损坏, 因芯片管脚设计中一般会加保护电路, 反而无此必要).
• 对于输出管脚:
• 1)正常的输出管脚(push-pull 型), 一般没有必要接上拉或下拉电阻.
• 2)OD 或OC(漏极开路或集电极开路)型管脚,这种类型的管脚需要外接上拉电阻实现线与功能(此时多个输出可直接相连. 典型应用是: 系统板上多个芯片的 INT(中断信号)输出直接相连, 再接上一上拉电阻, 然后输入 MCU 的INT 引脚, 实现中断报警功能).
• 其工作原理是:
• 在正常工作情况下, OD 型管脚内部的NMOS 管关闭, 对外部而言其处于高阻状态, 外接上拉电阻使输出位于高电平(无效中断状态);当有中断需求时, OD型管脚内部的NMOS管接通, 因其导通电阻远远小于上拉电阻, 使输出位于低电平(有效中断状态). 针对 MOS电路上下拉电阻阻值以几十至几百 K 为宜.(注: 此回答未涉及TTL 工艺的芯片, 也未曾考虑高 频PCB 设计时需考虑的阻抗匹配,电磁干扰等效应.)
• 1, 芯片引脚上注明的上拉或下拉电阻, 是指设计在芯片引脚内部的一个电阻或等效电阻.设计这个电阻的目的, 是为了当用户不需要用这个引脚的功能时, 不用外加元件, 就可以置这个引脚到缺省的状态. 而不会使 CMOS 输入端悬空. 使用时要注意如果这个缺省值不是你所要的, 你应该把这个输入端直接连到你需要的状态.
• 2, 这个引脚如果是上拉的话, 可以用于 “线或” 逻辑. 外接漏极开路或集电极开路输出的其他芯片. 组成负逻辑或输入. 如果是下拉的话, 可以组成正逻辑 “线或”, 但外接只能是CMOS 的高电平漏极开路的芯片输出, 这是因为 CMOS 输出的高, 低电平分别由PMOS 和 NMOS 的漏极给出电流, 可以作成 P 漏开路或 N 漏开路. 而 TTL 的高电平由源极跟随器输出电流, 不适合 “线或”.
• 3, TTL 到 CMOS 的驱动或反之, 原则上不建议用上下拉电阻来改变电平, 最好加电平转换电路. 如果两边的电源都是 5 伏, 可以直接连但影响性能和稳定, 尤其是 CMOS 驱动TTL 时. 两边逻辑电平不同时, 一定要用电平转换. 电源电压 3 伏或以下时, 建议不要用直连更不能用电阻拉电平.
• 4, 芯片外加电阻由应用情况决定, 但是在逻辑电路中用电阻拉电平或改善驱动能力都是不可行的. 需要改善驱动应加驱动电路. 改变电平应加电平。