电路中上拉、下拉电阻的作用及原理 - 知乎

  • 上拉是将不确定信号通过一个电阻钳位在高电平，电阻同时期流作用；
  • 下拉是将不确定信号通过一个电阻钳位在低电平。

即，电路中加上拉电阻或下拉电阻的目的是确定某个状态电路中的高电平或低电平。

1、上、下拉电阻的作用

简单来说，电源到器件引脚上的电阻叫上拉电阻，作用是平时使用该引脚为高电平；地到器件引脚的电阻叫下拉电阻，作用是平时使该引脚为低电平。

对于非集电极（或漏极）开路输出型电路（如普通门电路，其提升电流和电压的能力是有限的，上拉和下拉电阻主要功能是为集电极开路输出型电路提供输出电流通道。上拉是对器件注入电流，下拉是输出电流；强弱只是上拉或下拉电阻的阻值不同）。此外，作用还有：

图1 按键检测的简单电路图

  • 提高电路稳定性，避免引起误动作。图1中的按键如果不通过电阻上拉到高电平，那么在上电瞬间可能就发生误动作，因为在上电瞬间电路引脚电平是不确定的，上拉电阻R的存在保证了其引脚处于高电平状态，就不会发生误动作；
  • 提高输出管脚的带载能力。受其他外围电路的影响，电路在输出高电平时能力不足，达不到VCC状态，这会影响整个系统的正常工作，上拉电阻的存在就可以使管脚的驱动能力增强。

2、基本原理

如果拉电阻用于输入信号引脚，通常的作用是将信号线强制箝位至某个电平，以防止信号线因悬空而出现不确定的状态，继而导致系统出现不期望的状态，如图2所示：

图2 上拉、下拉电阻构造

在实际应用中， ![[公式]](assets/28cc8219bbc6069fa865acd3098ca4ef.svg) 的电阻是使用数量最多的拉电阻。需要使用上拉电阻还是下拉电阻，主要取决于电路系统本身的需要，比如，对于高有效的使能控制信号（EN），如果希望电路系统在上电后应处于无效状态，则会使用下拉电阻；假设这个使能信号是用来控制电机的，如果悬空的话，此信号线可能在上电后（或者运行中）受到其他噪声干扰而误触发为高电平，从而导致电机出现不期望的转动，这肯定是所不希望的，此时可以增加一个下拉电阻。相应地，对于低有效的复位控制信号（RST#），希望上点后复位后处于无效状态，则应使用上拉电阻。

根据拉电阻的阻值大小，可分为强拉或弱拉（weak pull-up/down），芯片内部集成的拉电阻通常都是弱拉（电阻比较大），拉电阻越小则表示电平能力越强（强拉），可以抵抗外部噪声的能力也越强（也就是说，不期望出现的干扰噪声如果要更改强拉的信号电平，则需要的能量也必须相应加强），但是拉电阻越小则相应的功耗也越大，因为正常信号要改变信号线的状态也需要更多的能量，在能量消耗这一方面，拉电阻是绝不会有所偏颇的，如图3所示：

图3 上/下拉电阻

对于上拉电阻R1而言，控制信号每次拉低L都会产生VCC/R1的电流消耗（没有上拉电阻则电流为0），相应的，对于下拉电阻R2而言，控制信号每次拉高H也会产生VCC/R2R 电流消耗（本文假设高电平即为VCC）。

强拉与弱拉之间没有严格说多少欧姆是强弱的分界，一般我们使用的拉电阻都是弱拉，这样我们仍然可以使用外部控制信号将已经上/下拉的信号线根据需要进行电平的更改。

强拉电阻的极端就是零欧姆电阻，亦即将信号线直接与电源或地相连接。

拉电阻作为输出（或输入输出）时牵涉到的知识点会更多一些，但本质的功能也是将电平箝位，最常见的输出上拉电阻出现在开集（Open Collector,OC）或开漏（Open Drain,OD）结构的引脚。

我们有很多芯片的输出引脚是推挽输出结构（Output Push-Pull），如下图所示（还有一种反相输出的结构，本质也是一样的）：

图4 两种TTL结构

注：推挽输出结构引脚的特点是：无论引脚输出高电平“H”还是低电平“L”，都有比较强的驱动能力（输入或输出电流能力）！

当推挽输出结构的控制信号为低电平“L”时，Q1截止Q2导通，电流I1由电源VCC经负载RL与三极管Q2流向公共地，我们称此电流为灌电流（Sink Current），也就是外部电流灌入芯片内部，如图5所示：

图5 灌电流

相应的，当推挽输出结构的控制信号为高电平“H”时，Q1导通Q2截止，电流I1由电源VCC经三极管Q1与负载RL流向公共地，我们称此电流为拉电流（Source Current），也就是芯片内部可以向外提供的电流（所以称之为“源电源”），从另一个角度讲，也就是外电路可以从芯片中拉走多少电流，如图6所示：

图6 拉电流

灌电流能力与拉电流能力也称为芯片引脚的驱动能力。

假定芯片的供电电压为3.3V（忽略晶体管饱和压降），则输出最大电流25mA时，负载RL的值约为132欧姆（3.3V/25mA），如果负载值小于132欧姆，则相应输出电流会更大（超过25mA），但是芯片引脚只能提供最大25mA的电流，因此，输出电平将会下降（老板你只给我2500月薪，我就只能干2500的活，你要我干更多的活得开更多的工资，一个道理）

一般情况下，这种驱动重负载（小电阻）的电路连接是不会烧毁内部晶体管的，因为内部也是有限流电阻的，换句话讲，就算输出引脚对地短路，输出电流也不会超过最大的驱动能力（除非是不正规的芯片），当然，在实际应用过程中尽量不要超出引脚的驱动能力。

而OC（OD）的引脚输出结构有所不同（OC结构存在于三极管，而OD结构存在于场效管，下面以OC输出结构为例，OD输出结构的原理是一致的）。

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创建于: 2020-10-19 14:22:07
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