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詳解上拉、下拉電阻在電路的作用!

硬件攻城獅 ? 來(lái)源:硬件攻城獅 ? 2023-07-29 14:59 ? 次閱讀
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1)什么是上下拉電阻?

首先上拉電阻是把一個(gè)信號(hào)通過(guò)一個(gè)電阻接到電源(VCC),下拉電阻是信號(hào)接到地(GND)。那么電路功能如果已經(jīng)完成,我們?yōu)槭裁催€需要額外增加一個(gè)電阻連接到電源或GND呢?這個(gè)電阻的阻值為什么是這么大?有什么依據(jù)嗎?如果我們不理解為什么需要上拉和下拉,則電路設(shè)計(jì)中很可能只會(huì)“抄電路”。一旦電路現(xiàn)象異常,會(huì)束手無(wú)策。

我們經(jīng)常聽(tīng)到,“強(qiáng)上拉”“弱上拉”,是什么意思呢?弱強(qiáng)只是上拉電阻的阻值不同,沒(méi)有什么嚴(yán)格區(qū)分。例如,50Ω上拉,則一般稱為強(qiáng)上拉;100kΩ上拉則稱為弱上拉。下拉也是一樣的。強(qiáng)拉電阻的極端就是零歐姆電阻,亦即將信號(hào)線直接與電源或地相連接。

2)上下拉電阻的作用

上下拉電阻的作用其實(shí)很寬泛,所以很少有教科書(shū)把上下拉電阻的應(yīng)用方法進(jìn)行匯總。因?yàn)椴煌念I(lǐng)域使用方法也不同,此處我們整理一些常見(jiàn)的使用方法。

(1)維持輸入管腳是一個(gè)穩(wěn)定態(tài)。

芯片的管腳有三個(gè)類(lèi)型,輸出(Output,簡(jiǎn)稱O)、輸入(Input,簡(jiǎn)稱I)和輸入輸出(Input/Output,簡(jiǎn)稱I/O)。芯片的輸入管腳,輸入的狀態(tài)有三個(gè):高電平、低電平、和高阻狀態(tài)。當(dāng)輸入是高阻,即輸入管腳懸空,很可能造成輸入的結(jié)果是不定態(tài),引起輸出振蕩。有些應(yīng)用場(chǎng)合不希望出現(xiàn)高阻狀態(tài),可以通過(guò)上拉電阻或下拉電阻的方式使這個(gè)輸入管腳處于穩(wěn)定狀態(tài)。

用法示例:當(dāng)接有上拉電阻的端口設(shè)為輸入狀態(tài)時(shí),常態(tài)為高電平,用于檢測(cè)低電平的輸入;當(dāng)接有下拉電阻設(shè)為輸入狀態(tài)時(shí),常態(tài)為低電平,用于檢測(cè)高電平輸入。用法示例:當(dāng)接有上拉電阻的端口設(shè)為輸入狀態(tài)時(shí),常態(tài)為高電平,用于檢測(cè)低電平的輸入,如圖(a)所示;當(dāng)接有下拉電阻設(shè)為輸入狀態(tài)時(shí),常態(tài)為低電平,用于檢測(cè)高電平輸入,如圖31.1(b)所示。

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輸入管腳的上下拉電阻

按鍵電路設(shè)計(jì)、復(fù)位電路設(shè)計(jì)等都是這個(gè)情況的上下拉電阻。至于具體是上拉還是下拉,取決于我們需要的默認(rèn)狀態(tài),如圖31.2所示。

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按鍵電路的上下拉電阻

在按鍵電路中,增加上拉電阻的目的是使當(dāng)按鍵斷開(kāi)時(shí),KeyIn1處于高電平狀態(tài),若無(wú)上拉,懸空,狀態(tài)無(wú)法確定。斷開(kāi)為1,閉合為0,數(shù)字邏輯關(guān)系明確。

在COMS芯片上,為了防止靜電造成損壞,不用的管腳不能懸空,一般接上拉電阻降低輸入阻抗提供泄荷通路。也是一樣的道理。

(2)三極管實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換電路的外圍電阻。

首先要了解三極管的基本原理,三極管屬于電流控制電流型元件,與MOS管不同,MOS管屬于電壓控制電壓型元件。三極管有三個(gè)工作區(qū):截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。以NPN三極管為例,BE之間那個(gè)箭頭很像一個(gè)二極管,其實(shí)BE之間就是一個(gè)二極管,BE的壓差(UBE)約為0.6V左右(實(shí)際大小與元器件的型號(hào)有關(guān)),當(dāng)UBE<0.6V時(shí),BE間的等效二極管沒(méi)有導(dǎo)通,此時(shí)的三極管也就處于截止?fàn)顟B(tài);隨著B(niǎo)E間的電壓上升,三極管進(jìn)入放大區(qū),三極管處于放大區(qū)或飽和區(qū)時(shí)UBE=0.6V。這時(shí)BE的壓差不會(huì)隨著輸入的電壓變高而繼續(xù)增加,體現(xiàn)出二極管的特性,保持一個(gè)導(dǎo)通電壓。

如圖所示,輸入信號(hào)如果是個(gè)3.3V電壓信號(hào),三極管的BE電路等效于一個(gè)二極管。我們不會(huì)把二極管兩端直接接到電壓和GND之間,一般會(huì)串聯(lián)個(gè)電阻,進(jìn)行電流控制。

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三極管電平轉(zhuǎn)換電路

R1電阻屬于限流電阻,因?yàn)槿龢O管屬于電流控制元件,當(dāng)三極管屬于放大或飽和狀態(tài)時(shí),UBE的電壓為0.6V,可以根據(jù)輸入電壓U計(jì)算基極的電流,計(jì)算公式為Ib=(U-0.6)/R1,從公式也可以看出,若不接限流電阻R1,當(dāng)輸入電壓大于0.6V時(shí),基極的電流會(huì)非常大,從而燒毀三極管。

需根據(jù)輸入電壓、管子的特性進(jìn)行計(jì)算,如該三極管的放大倍數(shù)β為50(三極管的固有特性,在放大狀態(tài)Ic的電流大小是Ib的β倍)。

輸出電壓Vout=VCC-Ic*R2。通過(guò)這個(gè)公式,我們可以看出:VCC確定,如圖31.1中VCC為12V,Vout在Ic為0時(shí)達(dá)到最大值12V等于VCC,由于是數(shù)字電路,Vout需要達(dá)到0V附近,實(shí)現(xiàn)低電平的效果,那么如果R2我們選定為1kΩ,則很容易計(jì)算出Ic的讓三極管達(dá)到飽和狀態(tài)的值,如式

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三極管的通流能力是有限的,如果我們選定的三極管集電極的額定電流為500mA,那么Ic的最大值Ic(max)=500mA。所以,R2的選值不能太小,避免Ic太大導(dǎo)致三極管燒毀。通過(guò)公式,我們?nèi)ダ斫怙柡偷母拍钭兊酶菀祝杭姌O電阻越大越容易飽和;飽和區(qū)的現(xiàn)象就是:二個(gè)PN結(jié)均正偏,Ic不受Ib之控制,因?yàn)閂out已經(jīng)接近GND了,不可能憑空產(chǎn)生負(fù)電壓。

如果,輸入電壓為3.3V,若要求設(shè)計(jì)時(shí)三極管處于飽和狀態(tài),則Ic(飽和)=12mA,那么Ib(min)=Ic(飽和)/β=12mA/50=0.24mA,則基極限流電阻R1(max)=(3.3V-0.6V)/Ib(min)=11.25kΩ。若要求輸入3.3V時(shí),三極管飽和,并且我們要求考慮三極管放大系數(shù)β、電阻、VCC電壓的離散型、精度、波動(dòng)等因素,我們需要留夠足夠的余量。于是我們一般此時(shí)可能選擇R1為1kΩ電阻,讓三極管足夠飽和。另外R1的阻值也不能太小,需要考慮Ib的額定電流。另外R1、R2都不能太小的一個(gè)原因是我們需要考慮功耗和節(jié)能。

若把圖中的NPN三極管換成N溝道的MOS管,原理也是一樣的,當(dāng)輸入高電平時(shí),管子導(dǎo)通,輸入低電平時(shí),管子截止,如下圖所示。但此時(shí)需要注意的是,讓MOS進(jìn)入打開(kāi)的狀態(tài)條件是GS的電壓,這個(gè)電壓比三極管的大約0.6V不同,一般在2V以上。所以,低壓控制高壓時(shí)要注意GS的閾值電壓。但因?yàn)镚S的穩(wěn)態(tài)電流非常小,幾乎為0,所以能耗情況比三極管好。如果效率有要求,Rds(on)跟輸入側(cè)的電壓也是相關(guān)的。需要考慮VG在不同電壓情況下的,導(dǎo)通阻抗。

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MOSFET電平轉(zhuǎn)化電路

因?yàn)檫@樣的電路是一個(gè)反向的邏輯,因?yàn)檩斎霝楦唠娖綍r(shí),輸出為低電平。我們很可能連續(xù)用兩個(gè)三極管把邏輯做成正向邏輯。此時(shí)R2就很可能成為下一級(jí)電路的R1,此時(shí)的R2就既不能太大,也不能太小,如圖31.5所示。

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兩級(jí)三極管電平轉(zhuǎn)化電路

(3)OC、OD電路。

對(duì)于OC(Open Collector,集電極開(kāi)路)、OD(Open?Drain,漏極開(kāi)路)電路上拉電阻的功能主要是為集電極開(kāi)路輸出型電路提供輸出電流通道。有些芯片他們的一些輸出管腳,集成了三極管或MOSFET,但是沒(méi)有集成上拉電阻到VCC。典型的OC電路如圖31.6所示。所以,這些管腳其實(shí)就是一個(gè)集電極,而且是個(gè)開(kāi)路,所以就稱為OC。按照我們介紹的三極管的外圍電路,這個(gè)上拉電阻是必須的內(nèi)容,我們?cè)谠韴D中在OC、OD電路放置的上拉電阻,原本就是讓電路功能完整的必須內(nèi)容。

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集電極開(kāi)路電路

OC或OD的由來(lái),是用于設(shè)計(jì)一種“線與”電路。兩個(gè)或多個(gè)輸出信號(hào)連接在一起可以實(shí)現(xiàn)邏輯“與”的功能。如圖31.7所示,兩個(gè)輸入只要有其中一個(gè)輸入為低電平,就可以讓輸出為低電平,兩個(gè)輸入都是高電平時(shí),輸出才為高電平。

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兩個(gè)OC電路實(shí)現(xiàn)“線與”

(4)總線的I/O接口上下拉電阻。

一些總線有輸出輸出接口,本質(zhì)就是OC或OD的接口。I2C(Inter Integrated Circuit,內(nèi)部集成電路)總線就是典型的OD輸出結(jié)構(gòu)的應(yīng)用,典型的I2C電路都有上拉電阻,如圖所示。

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I2C總線上拉電阻

I2C接口的SCL與SDA都是OD輸出結(jié)構(gòu)輸出,這樣的好處是可以作為雙向數(shù)據(jù)總線。OC、OD電路往往是剛剛說(shuō)的輸入輸出管腳,然而一些總線的I/O就是一些雙向數(shù)據(jù)的信號(hào),其實(shí)就是把輸入和輸出短接在一起,然后把輸出做成OC或OD。這樣處理不單用一根信號(hào)實(shí)現(xiàn)了雙向數(shù)據(jù),既可以輸出又可以輸入,同時(shí)解決了雙向數(shù)據(jù)如果同時(shí)發(fā)送帶來(lái)的數(shù)據(jù)沖突的問(wèn)題。

一般來(lái)說(shuō),芯片的輸出管腳是推挽結(jié)構(gòu)。如果兩個(gè)芯片的推挽結(jié)構(gòu)輸出管腳連接在一起,某一個(gè)時(shí)刻兩個(gè)芯片同為輸出,一個(gè)如果輸出為高、一個(gè)輸出為低,則可能出現(xiàn)短路的現(xiàn)象,工作中稱為“總線沖突”,如圖所示。用OC、OD電路可以避免短路,所有絕大多數(shù)總線都是采用這種方式設(shè)計(jì),如I2C、LPC、PCI等總線的輸入輸出管腳都是這樣的管腳類(lèi)型。當(dāng)然也有些總線方式,I/O端口不需要外接,是芯片內(nèi)置了上拉電阻。

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推挽結(jié)構(gòu)輸出管腳短路

對(duì)于I2C總線,總線上有兩個(gè)芯片或多個(gè)芯片,所有芯片的引腳輸出什么狀態(tài),都不會(huì)出現(xiàn)短路的情況引起數(shù)據(jù)沖突,配合各自芯片內(nèi)部的數(shù)據(jù)識(shí)別電路及仲裁系統(tǒng),雙方都可以主動(dòng)給另一方發(fā)送信息。也就是說(shuō),任何一方都可以將拉低,不拉低時(shí)就是釋放總線,總線上為高電平,而不會(huì)影響起數(shù)據(jù)沖突,如圖31.10所示。

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OC輸出管腳電流

(5)增加輸出管腳的驅(qū)動(dòng)能力。

芯片的輸出管腳本身并不是OC、OD,但是有時(shí)我們也會(huì)增加一個(gè)上拉電阻或下拉電阻,通過(guò)上拉或下拉來(lái)增加或減小驅(qū)動(dòng)電流。

例如,一個(gè)單片機(jī)的I/O口內(nèi)部有一個(gè)幾十kΩ,最大輸出電流也就是250μA,因此當(dāng)我們?cè)黾右粋€(gè)上拉電阻時(shí),可以形成和內(nèi)部上拉電阻并聯(lián)結(jié)構(gòu),增加高電平時(shí)電流的輸出能力。在負(fù)載增大時(shí),仍然能夠保持足夠的電壓。

(6)電平標(biāo)準(zhǔn)匹配。

改變電平的電位,常用在TTL-CMOS匹配。當(dāng)TTL電路驅(qū)動(dòng)COMS電路時(shí),若TTL電路輸出的高電平低于COMS電路的最低高電平(一般為3.5V),這時(shí)就需要在TTL的輸出端接上拉電阻,以提高輸出高電平值。需要注意的是,此時(shí)上拉電阻連接的電壓值應(yīng)不低于CMOS電路的最低高電壓,同時(shí)又要考慮TTL電路方的電流(如某端口最大輸入或輸出電流)的影響。

(7)增強(qiáng)電路抗干擾能力。

芯片的管腳加上拉電阻來(lái)提高輸出電平,從而提高芯片輸入信號(hào)的噪聲容限,增強(qiáng)抗干擾能力。長(zhǎng)線傳輸中,電阻不匹配容易引起反射波干擾,加上下拉電阻是電阻匹配,有效地抑制反射波干擾。提高總線的抗電磁干擾能力,管腳懸空就比較容易受外界的電磁干擾。

3)上拉電阻阻值選擇原則

(1)從節(jié)約功耗及芯片的灌電流能力考慮,電阻值應(yīng)當(dāng)足夠大;電阻越大,電流越小。

(2)從確保足夠的驅(qū)動(dòng)電流考慮,電阻值需要足夠??;電阻越小,電流越大。

(3)對(duì)于高速電路,過(guò)大的上拉電阻可能邊沿變平緩。需要電阻與電路寄生電容形成RC濾波電路,影響信號(hào)的高頻分量的傳輸。

(4)驅(qū)動(dòng)能力與功耗的平衡。以上拉電阻為例,一般地說(shuō),上拉電阻越小,驅(qū)動(dòng)能力越強(qiáng),但功耗越大,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意兩者之間的均衡。

(5)下級(jí)電路的驅(qū)動(dòng)需求。同樣以上拉電阻為例,當(dāng)輸出高電平時(shí),開(kāi)關(guān)管斷開(kāi),上拉電阻應(yīng)適當(dāng)選擇以能夠向下級(jí)電路提供足夠的電流。

(6)高低電平的設(shè)定。不同電路的高低電平的門(mén)檻電平會(huì)有不同,電阻應(yīng)適當(dāng)設(shè)定以確保能輸出正確的電平。以上拉電阻為例,當(dāng)輸出低電平時(shí),開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通,上拉電阻和開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通電阻分壓值應(yīng)確保在零電平門(mén)檻之下。

(7)頻率特性。以上拉電阻為例,上拉電阻和開(kāi)關(guān)管漏源級(jí)之間的電容和下級(jí)電路之間的輸入電容會(huì)形成RC延遲,電阻越大,延遲越大。上拉電阻的設(shè)定應(yīng)考慮電路在這方面的需求。

4)吸電流、拉電流、灌電流

在集成電路中,吸電流、拉電流輸出和灌電流輸出是一個(gè)很重要的概念。

拉電流:主動(dòng)輸出電流,是從輸出口輸出電流。

灌電流:被動(dòng)輸入電流,是從輸出端口流入吸電流。

吸電流:吸則是主動(dòng)吸入電流,是從輸入端口流入吸電流和灌電流就是從芯片外電路通過(guò)引腳流入芯片內(nèi)的電流,區(qū)別在于吸收電流是主動(dòng)的,從芯片輸入端流入的叫吸收電流。

拉電流是數(shù)字電路輸出高電平給負(fù)載提供的輸出電流,灌電流時(shí)輸出低電平是外部給數(shù)字電路的輸入電流,它們實(shí)際就是輸入、輸出電流能力。

吸電流是對(duì)輸入端(輸入端吸入)而言的;而拉電流(輸出端流出)和灌電流(輸出端被灌入)是相對(duì)輸出端而言的。

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原文標(biāo)題:詳解上拉、下拉電阻在電路的作用!講得夠詳細(xì)!

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    <b class='flag-5'>上</b><b class='flag-5'>拉</b><b class='flag-5'>電阻</b>和<b class='flag-5'>下拉</b><b class='flag-5'>電阻</b>原理及<b class='flag-5'>作用</b>

    電阻為什么要一下---下拉作用?

    什么是電阻?電阻下拉
    的頭像 發(fā)表于 05-31 13:57 ?3632次閱讀
    <b class='flag-5'>電阻</b>為什么要<b class='flag-5'>拉</b>一下---<b class='flag-5'>上</b><b class='flag-5'>拉</b>和<b class='flag-5'>下拉</b>的<b class='flag-5'>作用</b>?

    電阻下拉電阻作用

    電阻電路中起限制電流的作用,而電阻
    的頭像 發(fā)表于 06-10 14:17 ?4647次閱讀
    <b class='flag-5'>上</b><b class='flag-5'>拉</b><b class='flag-5'>電阻</b>與<b class='flag-5'>下拉</b><b class='flag-5'>電阻</b>的<b class='flag-5'>作用</b>

    電阻下拉電阻的用處和區(qū)別

    什么是電阻電阻下拉
    的頭像 發(fā)表于 06-29 17:04 ?1.3w次閱讀
    <b class='flag-5'>上</b><b class='flag-5'>拉</b><b class='flag-5'>電阻</b>和<b class='flag-5'>下拉</b><b class='flag-5'>電阻</b>的用處和區(qū)別