上、下拉电阻及其多种应用场景详解

[导读]一般作单键触发使用时，如果IC本身没有内接电阻，为了使单键维持在不被触发的状态或是触发后回到原状态，必须在IC外部另接一电阻。

有源器件需要电源(能量)才能实现其特定的功能，比如运算放大器在有输入信号的前提下，如果不提供电源，运算放大器无法实现其放大功能。

无源器件在工作时，不需要外加电源，只要输入信号就能正常工作，比如在信号线上串联33Ω的电阻，无论是否提供电源，只要有信号经过，电阻就能实现限流的作用。

通常定义流入器件的电流为正，流出器件的电流为负。器件输入端有电流流进时，称为吸电流，属于被动;器件输出端有电流流出时，称为拉电流，属于主动;器件输出端有电流流入时，称为灌电流，属于被动。

拉电阻作用

一般作单键触发使用时，如果IC本身没有内接电阻，为了使单键维持在不被触发的状态或是触发后回到原状态，必须在IC外部另接一电阻。

数字电路有三种状态：高电平、低电平、和高阻状态，有些应用场合不希望出现高阻状态，可以通过上拉电阻或下拉电阻的方式使处于稳定状态，具体视设计要求而定。

一般说的是I/O端口，有的可以设置，有的不可以设置，有的是内置，有的是需要外接，I/O端口的输出类似与一个三极管的C，当C接通过一个电阻和电源连接在一起的时候，该电阻成为上C拉电阻，也就是说，如果该端口正常时为高电平，C通过一个电阻和地连接在一起的时候，该电阻称为下拉电阻，使该端口平时为低电平，其作用主要是确保某端口常态时有确定电平：用法示例：当一个接有上拉电阻的端口设为输入状态时，他的常态就为高电平，用于检测低电平的输入。

上拉电阻是用来解决总线驱动能力不足时提供电流的。一般说法是拉电流，下拉电阻是用来吸收电流的，也就是我们通常所说的灌电流。

接电阻就是为了防止输入端悬空。

减弱外部电流对芯片产生的干扰。

保护cmos内的保护二极管，一般电流不大于10mA。

通过上拉或下拉来增加或减小驱动电流。

改变电平的电位，常用在TTL-CMOS匹配。

在引脚悬空时有确定的状态。

增加高电平输出时的驱动能力。

为OC门提供电流。

上拉电阻应用原则

当TTL电路驱动COMS电路时，若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，以提高输出高电平值。注：此时上拉电阻连接的电压值应不低于CMOS电路的最低高电压，同时又要考虑TTL电路方电流(如某端口最大输入或输出电流)的影响。

OC门电路必须加上拉电阻，才能使用。

为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。

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。

芯片的管脚加上拉电阻来提高输出电平，从而提高芯片输入信号的噪声容限增强抗干扰能力。

提高总线的抗电磁干扰能力，管脚悬空就比较容易接受外界的电磁干扰。

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。

在数字电路中不用的输入脚都要接固定电平，通过1k电阻接高电平或接地。

上拉电阻阻值选择原则

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。

从确保足够的驱动电流考虑应当足够小，电阻小，电流大。

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。

对上拉电阻和下拉电阻的选择应结合开关管特性和下级电路的输入特性进行设定，主要需要考虑以下几个因素：

驱动能力与功耗的平衡。以上拉电阻为例，一般地说，上拉电阻越小，驱动能力越强，但功耗越大，设计是应注意两者之间的均衡。

下级电路的驱动需求。同样以上拉电阻为例，当输出高电平时，开关管断开，上拉电阻应适当选择以能够向下级电路提供足够的电流。

高低电平的设定。不同电路的高低电平的门槛电平会有不同，电阻应适当设定以确保能输出正确的电平。以上拉电阻为例，当输出低电平时，开关管导通，上拉电阻和开关管导通电阻分压值应确保在零电平门槛之下。

频率特性。以上拉电阻为例，上拉电阻和开关管漏源级之间的电容和下级电路之间的输入电容会形成RC延迟，电阻越大，延迟越大。上拉电阻的设定应考虑电路在这方面的需求。

电阻的参数

关于电阻的参数不能一概而定，要看电路其他参数而定，比如通常用在输入脚上的上拉电阻如果是为了抬高峰峰值，就要参考该引脚的内阻来定电阻值的。

一般LED的电流有几个mA就够了，最大不超过20mA，根据这个你就应该可以算出上拉电阻值来了，当然实际还是有出入的。

1. 上、下拉电阻的定义

上拉电阻的作用是将一个信号通过电阻连接到电源(Vcc)，而下拉电阻则是将信号通过电阻接地(GND)。

2. 强上拉与弱上拉

强上拉和弱上拉的主要区别在于上拉电阻的阻值大小。例如，50Ω的电阻通常被视为强上拉，而100kΩ的电阻则被视为弱上拉。同样，下拉电阻也有类似的情况。值得注意的是，强拉电阻的极限情况是0Ω电阻，这意味着信号线将直接与电源或地相连。

3. 上、下拉电阻的作用

上下拉电阻在多个领域中发挥着重要作用。它们能够维持芯片输入管脚的稳定状态，避免高阻状态可能引发的问题。此外，在三极管实现电平转换电路中，上下拉电阻也扮演着外围电路的重要角色。通过合理选择和使用上下拉电阻，可以确保电路的稳定性和可靠性。

三极管电平转换电路详解

在三极管电平转换电路中，当输入信号为3.3V电压时，三极管的BE电路可视为一个二极管。但与简单的二极管不同，实际应用中我们会在其两端串联一个电阻R1，以实现对电流的精确控制。R1作为输入限流电阻，其作用至关重要。由于三极管是一种电流控制元件，在放大或饱和状态下，Ube的电压保持为0.6V。基于这一特性，我们可以根据输入电压U来计算基极Ib的电流，公式为Ib=(U-0.6)/R1。若忽略限流电阻R1，一旦输入电压超过0.6V，基极电流将急剧上升，可能导致三极管的烧毁。因此，必须根据具体的输入电压和三极管特性来合理选择和计算限流电阻R1的值。

在三极管电平转换电路中，当三极管处于放大状态时，其集电极电流Ic的大小与基极电流Ib之间存在一个固定的比例关系。这个比例关系是三极管的一个固有特性，通常用β来表示，即Ic=βIb。这个特性使得我们可以通过控制基极电流Ib来精确地调节集电极电流Ic的大小。

倍)。输出电压Vout的计算公式为Vout=Vcc-IcR2。由此可知，在Vcc确定的情况下，如上图所示的12V电源，Vout在Ic为0时达到最大值12V，即等于Vcc。然而，对于数字电路而言，我们需要Vout接近0V，以实现低电平的效果。通过选择合适的R2值，例如1KΩ，我们可以轻松计算出使三极管达到饱和状态所需的Ic值。

三极管的导流能力是有限的，假设我们选定的三极管集电极的额定电流为500mA，那么Ic的最大值就是500mA。因此，在选择R2时，必须确保其值不会导致Ic过大，从而避免三极管因过流而烧毁。从公式中我们可以观察到，集电极电阻的增大将更容易使三极管进入饱和状态。在饱和区内，两个PN结都处于正偏状态，此时Ic不再受Ib的控制，因为Vout已经接近地电平GND，无法产生负电压。

若输入电压为3.3V，并且我们希望在设计时三极管能处于饱和状态，那么Ic的值应达到12mA。由此，我们可以推算出Ib的最小值应为Ic(饱和)/β，其中β为三极管的电流放大系数。

若要求三极管在输入3.3V时达到饱和状态，并且我们需要考虑三极管的放大系数，那么可以推算出基极限流电阻R1(max)的值为(3.3V-0.6V)/Ib(min)=11.25kΩ。其中，Ib(min)是基极电流的最小值，它可以通过Ic(饱和)/β来计算，其中β为三极管的电流放大系数。

在考虑三极管的饱和状态和放大系数时，我们需要注意电阻、Vcc电压的离散性、精度以及波动等因素，以确保选择适当的基极限流电阻R1。同时，R1的阻值也不能过小，必须考虑到基极电流的额定值。此外，为了功耗和节能的考虑，R1和R2的阻值都不宜过小。

对于OC(集电极开路)和OD(漏极开路)电路，上拉电阻起着至关重要的作用。它为这些集电极开路输出型电路提供了必要的输出电流通道。在某些情况下，芯片的输出管脚可能未继承上拉电阻到Vcc，这就需要我们在设计中加以考虑。

此外，总线I/O接口上的上拉和下拉电阻也是不可或缺的。这些接口本质上是OC或OD接口，如I2C总线就采用了典型的OD输出结构。通过增加上拉电阻，我们可以提高驱动能力，实现电平标准的匹配，并增强电路的抗干扰能力。

在长线传输中，电阻的不匹配可能导致反射波干扰。通过合理选择上拉和下拉电阻的阻值，我们可以有效地抑制这种干扰，提高总线的抗电磁干扰能力。同时，管脚悬空时容易受到外界电磁干扰的影响，因此上拉和下拉电阻的合理配置也是非常重要的。

上来下拉电阻阻值的选择

1、功耗。考虑功耗的情况下电阻的阻值就不能特别大。

2、反应时间。因为电阻越大，部分电路中反馈给MCU的时间就越久

3、驱动能力。例如部分上拉电阻会给芯片传感器来补偿一定的电流，所以电阻不能太大

常见的阻值4.7k-10k

最后，我们还需要明确吸电流、拉电流和灌电流的定义。拉电流是指主动输出电流，即从输出口输出的电流。