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一文看懂上拉電阻和下拉電阻

發(fā)布時(shí)間:2019-10-28 責(zé)任編輯:xueqi

【導(dǎo)讀】電阻在電路中起限制電流的作用。上拉電阻和下拉電阻是經(jīng)常提到也是經(jīng)常用到的電阻。在每個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中都用到了大量的上拉電阻和下拉電阻。
 
 
在上拉電阻和下拉電阻的電路中,經(jīng)常有的疑問(wèn)是:上拉電阻為何能上拉?下拉電阻為何能下拉?下拉電阻旁邊為何經(jīng)常會(huì)串一個(gè)電阻?
 
 
簡(jiǎn)單概括為:電源到器件引腳上的電阻叫上拉電阻,作用是平時(shí)使該引腳為高電平,地到器件引腳上的電阻叫下拉電阻,作用是平時(shí)使該引腳為低電平。低電平在IC內(nèi)部與GND相連接;高電平在IC內(nèi)部與超大電阻相連接。
 
上拉就是將不確定的信號(hào)通過(guò)一個(gè)電阻鉗位在高電平,電阻同時(shí)起限流作用,下拉同理。對(duì)于非集電極(或漏極)開(kāi)路輸出型電路(如普通門(mén)電路,其提升電流和電壓的能力是有限的,上拉和下拉電阻的主要功能是為集電極開(kāi)路輸出型電路提供輸出電流通道。上拉是對(duì)器件注入電流,下拉是輸出電流;強(qiáng)弱只是上拉或下拉電阻的阻值不同,沒(méi)有什么嚴(yán)格區(qū)分。
 
當(dāng)IC的I/O端口,節(jié)點(diǎn)為高電平時(shí),節(jié)點(diǎn)處和GND之間的阻抗很大,可以理解為無(wú)窮大,這個(gè)時(shí)候通過(guò)上拉電阻(如4.7K歐,10K歐電阻)接到VCC上,上拉電阻的分壓幾乎可以忽略不計(jì);當(dāng)I/O端口節(jié)點(diǎn)需要為低電平時(shí),直接接GND就可以了,這個(gè)時(shí)候VCC與GND是通過(guò)剛才的上拉電阻(如4.7K歐,10K歐電阻)連接的,通過(guò)的電流很小,可以忽略不計(jì)。
 
 
電平值的大小、高低是相對(duì)于地電平來(lái)說(shuō)的,因此在看電平值的大小時(shí)要參考地的電平值來(lái)看??纯茨切┮_是否接到地上,與自己是否連接外圍器件沒(méi)有關(guān)系,因?yàn)槠鋵?shí)高電平還是低電平是相對(duì)于地平面來(lái)說(shuō)的。
 
在節(jié)點(diǎn)與+5V之間接10K歐或4.7K歐的上拉電阻,能夠把這個(gè)節(jié)點(diǎn)的電位拉上來(lái),往往這個(gè)節(jié)點(diǎn)要求應(yīng)用單片機(jī)或其它控制器來(lái)控制它(及這個(gè)節(jié)點(diǎn)與I/O連接)為高電平或低電平。如果單純的想要使這個(gè)節(jié)點(diǎn)成為高電平,并且輸出阻抗非常大,則直接接電源也無(wú)妨,但是如果單片機(jī)要使這個(gè)節(jié)點(diǎn)拉低,即單片機(jī)內(nèi)部使節(jié)點(diǎn)接地,這樣5V電源和地之間就短路了。
 
另外,當(dāng)要求這個(gè)節(jié)點(diǎn)為高電平時(shí),這個(gè)節(jié)點(diǎn)和地之間的阻抗一般非常大,如100K歐的阻抗,當(dāng)上拉一個(gè)10K歐的電阻,這個(gè)點(diǎn)分得的電壓為100K歐/(100K+10K)*5V=4.5V,這樣也可以拉到高電平。而當(dāng)要求這個(gè)節(jié)點(diǎn)為低電平時(shí),只要把它和地連接就可以了,電源和地之間有一個(gè)10K偶的電阻,這樣就不會(huì)短路了。當(dāng)?shù)碗娖綍r(shí),電源和地之間有一個(gè)負(fù)載形成的回路,有時(shí)候這個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)再串接一個(gè)電阻,因?yàn)殡娏髁飨蜃杩沟偷牡胤剑噪娏鲿?huì)通過(guò)與電源相連的電阻流向地,而不是流向這個(gè)與節(jié)點(diǎn)相連的電阻,因?yàn)檫@個(gè)節(jié)點(diǎn)連接的電阻阻抗高,所以低電平時(shí)這個(gè)點(diǎn)的電勢(shì)就是低電平。
 
 
可以這么認(rèn)為,對(duì)于IC的I/O端口來(lái)說(shuō),IC內(nèi)部通過(guò)控制高低電平相當(dāng)于控制這個(gè)O/O口與其內(nèi)部的GND或非常大的電阻相連,如100K歐,當(dāng)I/O口為低電平0V時(shí),在IC內(nèi)部,是控制IC芯片O/O口的引腳在芯片內(nèi)與GND連接;當(dāng)I/O口為高電平時(shí),如5V,這個(gè)時(shí)候I/O口引腳在芯片內(nèi)是與非常大的電阻,如100K歐相連接的,有時(shí)在I/O節(jié)點(diǎn)處會(huì)再串接一個(gè)小電阻值的電阻,如68歐,因?yàn)殡娏髁飨蜃杩沟偷牡胤?,所以?dāng)芯片內(nèi)部的I/O端口歐與GND相連為低電平時(shí),電源與上拉電阻及芯片內(nèi)部的GND形成環(huán)路進(jìn)行流通,這時(shí)I/O口節(jié)點(diǎn)處的電流就會(huì)流向芯片內(nèi)部的GND,因?yàn)楣?jié)點(diǎn)處串接了一個(gè)小阻值的電阻,相對(duì)于GND來(lái)說(shuō)是高阻,就是大一點(diǎn)點(diǎn)也是高阻,所以電流就不會(huì)流過(guò)這個(gè)串聯(lián)的電阻。
 
當(dāng)用下拉電阻時(shí)(所謂的上拉和下拉都是針對(duì)高阻態(tài)而言的),當(dāng)I/O口為高阻態(tài)時(shí),通過(guò)上拉電阻能夠讓其保持在高電平狀態(tài);具體如上文所述:當(dāng)I/O端口為高阻態(tài)時(shí),用下拉電阻把這個(gè)口與GND相連接,高阻態(tài)電阻值很大,可以理解為斷開(kāi),其實(shí)就是和芯片內(nèi)部的阻值很大的電阻相連接,下拉的時(shí)候拉到地上了,沒(méi)有電流,電平值為0,除非是給這個(gè)引腳賦予一個(gè)高電平值它才能夠起作用。
 
 
上拉和下拉電阻的作用概括如下:
1、提高電壓準(zhǔn)位
當(dāng)TTL電路驅(qū)動(dòng)CMOS電路時(shí),如果TTL電路輸出的高電平低于CMOS電路的最低高電平,這時(shí)就需要在TTL的輸出端接上拉電阻,以提高輸出高電平的值;OC門(mén)電路必須加上拉電阻,以提高輸出的高電平值。
 
2、加大輸出引腳的驅(qū)動(dòng)能力
有的單片機(jī)引腳上也常使用上拉電阻。
 
3、N/A引腳(沒(méi)有連接的引腳)防靜電、防干擾
在CMOS芯片上,為了防止靜電造成損壞,不用的引腳不能懸空,一般接上拉電阻降低輸入阻抗,提供泄荷通路。同時(shí)引腳懸空就比較容易接收外界的電磁干擾。
 
4、電阻匹配
抑制反射波干擾,長(zhǎng)線傳輸中電阻不匹配容易引起反射波干擾,加上下拉電阻使電阻匹配,能有效的抑制反射波干擾。
 
5、預(yù)設(shè)空間狀態(tài)/默認(rèn)電位
在一些CMOS輸入端接上拉或下拉電阻是為了預(yù)設(shè)默認(rèn)電位。當(dāng)不用這些引腳時(shí),這些輸入端下拉接低電平或上拉接高電平。在I2C等總線上空閑時(shí)的狀態(tài)是由上下拉電阻獲得的。
 
6、提高芯片輸入信號(hào)的噪聲容限
輸入端如果是高阻狀態(tài),或高阻抗輸入端處于懸空狀態(tài),此時(shí)需要加上拉或下拉電阻,以免受到隨機(jī)電平的影響,進(jìn)而影響電路工作。同樣,如果輸出端處于被動(dòng)狀態(tài),需要加上拉或下拉電阻,如輸出端僅僅是一個(gè)三極管的集電極,從而提高芯片輸入信號(hào)的噪聲容限,增強(qiáng)抗干擾能力。
 
在BJT晶體三極管的基極端,上拉電阻和下拉電阻也起著至關(guān)重要的作用。在三極管的電路應(yīng)用中,串接在基極上的電阻起限制基級(jí)電流的作用,如下圖中的R2所示,
 
 
如下圖中的R5所示,上拉電阻使三極管基極的輸入電平在默認(rèn)情況下是高電平輸入,當(dāng)CPU有低電平信號(hào)輸出時(shí),外圍電路響應(yīng),下拉電阻使晶體管的基極輸入在默認(rèn)情況下拉到低電平,如下圖中的R6所示。
 
 
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