最全講解上下拉電阻 上下拉電阻的選擇與上下拉電阻的應用

1. 拉電流和灌電流

電子元器件在廣義上分為有源器件和無源器件。

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有源器件需要電源（能量）才能實現其特定的功能，比如運算放大器在有輸入信號的前提下，如果不提供電源，運算放大器無法實現其放大功能。

無源器件在工作時，不需要外加電源，只要輸入信號就能正常工作，比如在信號線上串聯33Ω的電阻，無論是否提供電源，只要有信號經過，電阻就能實現限流的作用。

通常定義流入器件的電流為正，流出器件的電流為負。 器件輸入端有電流流進時，稱為吸電流，屬于被動；器件輸出端有電流流出時，稱為拉電流，屬于主動；器件輸出端有電流流入時，稱為灌電流，屬于被動。下面以運算放大器工作為例。

對電源來說，運算放大器屬于負載，電源提供電流讓其正常工作，此時運算放大器在吸收電流。

對運算放大器來說，當它輸出高電平，提供負載電流時，此時電流方向為負，稱為拉電流；當它輸出低電平，消耗負載電流，此時電流方向為正，稱為灌電流。

2. 上/下拉電阻定義

在電子元器件間中，并不存在上拉電阻和下拉電阻這兩種實體的電阻，之所以這樣稱呼，原因是根據電阻不同使用的場景來定義的，其本質還是電阻。就像去耦電容，耦合電容一樣，也是根據其應用場合來取名，其本質還是電容。

上拉電阻的定義：在某信號線上，通過電阻與一個固定的高電平VCC相接，使其電壓在空閑狀態保持在VCC電平，此時電阻被稱為上拉電阻。

同理，下拉電阻的定義：將某信號線通過電阻接在固定的低電平GND上，使其空閑狀態保持GND電平，此時的電阻被稱為下拉電阻。

如下圖所示，R1為上拉電阻，R2為下拉電阻。如果R1的阻值在上百K，能提供給信號線上負載電流非常小，對負載電容充電比較慢，此時電阻被稱為弱上拉。

同理當下拉的電阻非常大時，導致下拉的速度比較緩慢，此時的電阻被稱為弱下拉。而當上下拉的電平可以提供較大的電流給芯片時，此時的電阻被稱為是強上拉或強下拉。

3. 上/下拉電阻的應用

根據上拉電阻和下拉電阻的含義，最常見的幾種用法如下。

（1）用在OC/OD門

所謂OC門就是Open Collector，集電極開路，如下圖所示：

所謂OD門就是Open Drain，漏極開路，如下圖所示。

因此，OC門是針對三極管來說，OD門是針對MOS管來說。從OC門和OD電路可以看出，當輸入電平為H時，輸出電平為L，當輸入電平為L時，此時輸出電平為不穩定的狀態，即高阻態，容易受到外界的干擾。 OC門和OD門不具備輸出高電平的能力。此時，如果在集電極或漏極上增加上拉電阻，如下圖所示：

當輸入為高電平時，輸出還是為低；輸出為低電平時，輸出電平為VCC。此時的OC門和OD門就具備了輸出高、低電平的功能，而且電平被固定的鉗位在VCC或者GND。

（2）用在按鍵電路

按鍵電路的工作原理是當按鍵未被按下和按下時電平取反，MCU通過檢測到該管腳的信號電平被取反了，判斷按鍵是否被按下。原理圖如下：

當按鍵未被按下時，此時MCU的IO口檢測到高電平；當按鍵被按下時，此時檢測到低電平.上拉電阻是為了保證按鍵未被按下時處于一個固定的高電平。

（3）用在IIC總線

IIC總線上的上拉電阻是必須要增加的，為了保證空閑狀態時，SDA和SCL都處于高電平。

當IIC協議用在電平是3.3V以上時，推薦使用4.7K的上拉電阻。當電壓小于3.3V時，推薦使用2.2~3K左右的上拉電阻（經驗值）。

（4）用在邏輯IC懸空的管腳

數字邏輯電路中由于內部邏輯門會同時開通和關斷，SSN噪聲相比一般的電路較大，管腳懸空就比較容易受到芯片內部和外界的電磁干擾，在數字電路中不用的輸入腳都要接固定電平，通過推薦使用1k電阻接高電平或接地。

（5）用在終端匹配

上下拉電阻經常用在高速電路中，進行終端匹配。由于傳輸線的阻抗不連續會引起信號號的反射，導致波形出現過沖，回溝，振鈴等現象。因此，必須在傳輸上進行源端和終端的匹配。

終端匹配常規來說具有兩種類型，并聯端接和戴維南端接。

并聯端接——在終端并聯一個與傳輸線特征阻抗一致的電阻到VCC或者GND。終端并聯端接的優點信號能量反射回源端之前，在負載端會消除掉，缺點是上下拉電阻會有功耗的產生。

戴維南端接——戴維南端接也稱為分壓器端接，采用上拉電阻和下拉電阻同時接在終端上。優點是可以降低終端對源端驅動能力的要求，缺點是上下拉電阻都存在功耗。

當然，上下拉電阻還有其他很多場合根據芯片的要求或者是電路的設計需要增加上下拉電阻。比如在電平轉換電路中，可以使用上拉電阻進行電平之間的轉換。

在單片機驅動類似LED的負載時，使用上拉電電阻可以提高I/O口的驅動能力。在三極管的BE之間增加下拉電阻，可以保證三極管在初試狀態下處于穩定關斷的狀態。

4. 上/下拉電阻的選型

（1）從功耗消耗的角度

上拉電阻和電源相連接，下拉電阻和GND相連接，在對電阻進行選型時，需要考慮到電阻自身帶來的損耗。比如在按鍵電路中，電阻取10K可以滿足條件，取20K也可以滿足條件。但是明顯電阻取20k時，電阻消耗的能量會更低。在對待機有需求的電路中，需要嚴格控制上下拉電阻的取值。 （2）從驅動能力的角度 驅動能力的大小和提供的電流有關系。比如在OC門和OD門電路中，上拉電阻取太大，在輸出高電平時，無法為后級提供較大的電流。如下圖所示，LED正常工作時需要5~10mA電流，如果電阻取太大，LED燈無法點亮，因此需結合LED燈的電流和電壓來選取上拉電阻。

（3）從信號速率的角度 在IIC的總線上需要增加上拉電阻，上拉電阻太大，會減慢信號由低向高電平轉變的時間，上升沿變緩，影響信號上速率。 根據信號上拉電阻Rp的計算公式：

其中： Tr——信號上升沿爬升時間； Cs——信號線上負載的寄生電容 N——信號線上并聯器件的個數；

一般在數據手冊中會提供Tr和Cs，N為總線上并聯的器件個數和具體的使用場景有關，根據上面的參數，可以計算出上拉電阻的值。

5. 總結

本篇文章主要從四個方面對上下拉電阻進行的歸納和總結。拉電流和灌電流是兩個經常容易混淆的概念，因此在文章開始就進行了說明。對于上下拉電阻的應用并不僅僅體現在文章中提到的5點。而在選型的時候，需要從多個角度考慮器件是否能滿足電路的需求。

來自：大話硬件

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