今日说“法”：上拉、下拉电阻那点事

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    在电路设计中，相信大家总见到上拉电阻和下拉电阻这两个名字，但是不知道各位对他们有没有详细的了解，咱们今天就来聊聊上拉、下拉电阻那点事。首先，先看看定义怎么说。

一、定义


    上拉就是将不确定的信号通过一个电阻钳位在高电平，电阻同时起限流作用，下拉同理。上拉是对器件注入电流，下拉是输出电流；弱强只是上拉电阻的阻值不同，没有什么严格区分；对于非集电极（或漏极）开路输出型电路（如普通门电路）提升电流和电压的能力是有限的，上拉电阻的功能主要是为集电极开路输出型电路输出电流通道。



二、上下拉电阻作用


1、提高电压准位：a.  当 TTL 电路驱动 COMS 电路时，如果 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，以提高输出高电平的值。b.  OC 门电路必须加上拉电阻，以提高输出的高电平值。

2、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。

3、N/A pin 防静电、防干扰：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。同时管脚悬空就比较容易接受外界的电磁干扰。

4、电阻匹配，抑制反射波干扰：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。

5、预设空间状态/缺省电位：在一些 CMOS 输入端接上或下拉电阻是为了预设缺省电位。当你不用这些引脚的时候，这些输入端下拉接 0 或上拉接 1。在I2C总线等总线上，空闲时的状态是由上下拉电阻获得。

6. 提高芯片输入信号的噪声容限：输入端如果是高阻状态，或者高阻抗输入端处于悬空状态，此时需要加上拉或下拉，以免收到随机电平而影响电路工作。同样如果输出端处于被动状态，需要加上拉或下拉，如输出端仅仅是一个三极管的集电极。从而提高芯片输入信号的噪声容限增强抗干扰能力。电源到元件间的叫上拉电阻，作用是平时使该脚为高电平地到元件间的叫下拉电阻，作用是平时使该脚为低电平上拉电阻和下拉电阻的范围由器件来定(我们一般用10K) 。

    一般来说上拉或下拉电阻的作用是增大电流，加强电路的驱动能力。比如说51的p1口，还有，p0口必须接上拉电阻才可以作为io口使用。上拉和下拉的区别是一个为拉电流，一个为灌电流。一般来说灌电流比拉电流要大，也就是灌电流驱动能力强一些。

三、上拉电阻阻值的选择原则


1、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。


2、从确保足够的驱动电流考虑应当足够小；电阻小，电流大。


3、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。

四、原理


上拉电阻实际上是集电极输出的负载电阻。不管是在开关应用和模拟放大，此电阻的选择都不是拍脑袋的。工作在线性范围就不多说了，在这里是讨论的是晶体管是开关应用，所以只谈开关方式。


找个TTL器件的资料单独看末级就可以了，内部都有负载电阻根据不同驱动能力和速度要求这个电阻值不同，低功耗的电阻值大，速度快的电阻值小。但芯片制造商很难满足应用的需要不可能同种功能芯片做许多种，因此干脆不做这个负载电阻，改由使用者自己自由选择外接，所以就出现OC、OD输出的芯片。


由于数字应用时晶体管工作在饱和和截止区，对负载电阻要求不高，电阻值小到只要不小到损坏末级晶体管就可以，大到输出上升时间满足设计要求就可，随便选一个都可以正常工作。但是一个电路设计是否优秀这些细节也是要考虑的。集电极输出的开关电路不管是开还是关对地始终是通的，晶体管导通时电流从负载电阻经导通的晶体管到地，截止时电流从负载电阻经负载的输入电阻到地。


如果负载电阻选择小点功耗就会大，这在电池供电和要求功耗小的系统设计中是要尽量避免的，如果电阻选择大又会带来信号上升沿的延时，因为负载的输入电容在上升沿是通过无源的上拉电阻充电，电阻越大上升时间越长，下降沿是通过有源晶体管放电，时间取决于器件本身。因此设计者在选择上拉电阻值时，要根据系统实际情况在功耗和速度上兼顾。

从IC(MOS工艺)的角度，分别就输入/输出引脚做一解释。


1、对芯片输入管脚，若在系统板上悬空(未与任何输出脚或驱动相接)是比较危险的。


因为此时很有可能输入管脚内部电容电荷累积使之达到中间电平(比如1.5V)，而使得输入缓冲器的PMOS管和NMOS管同时导通，这样一来就在电源和地之间形成直接通路，产生较大的漏电流，时间一长就可能损坏芯片，并且因为处于中间电平会导致内部电路对其逻辑(0或1)判断混乱。接上上拉或下拉电阻后，内部电容相应被充(放)电至高(低)电平，内部缓冲器也只有NMOS(PMOS)管导通， 不会形成电源到地的直流通路。(至于防止静电造成损坏， 因芯片管脚设计中一般会加保护电路, 反而无此必要)。

2、对于输出管脚：1) 正常的输出管脚(push-pull型)，一般没有必要接上拉或下拉电阻。2) OD或OC(漏极开路或集电极开路)型管脚，这种类型的管脚需要外接上拉电阻实现线与功能(此时多个输出可直接相连。典型应用是：系统板上多个芯片的INT(中断信号)输出直接相连，再接上一上拉电阻， 然后输入MCU的INT引脚, 实现中断报警功能)。


其工作原理是：在正常工作情况下，OD型管脚内部的NMOS管关闭， 对外部而言其处于高阻状态，外接上拉电阻使输出位于高电平(无效中断状态)；当有中断需求时，OD型管脚内部的NMOS管接通， 因其导通电阻远远小于上拉电阻，使输出位于低电平(有效中断状态)。


针对MOS电路上下拉电阻阻值以几十至几百K为宜。(注: 此回答未涉及TTL工艺的芯片，也未曾考虑高频PCB设计时需考虑的阻抗匹配，电磁干扰等效应。)


1、芯片引脚上注明的上拉或下拉电阻，是指设计在芯片引脚内部的一个电阻或等效电阻。设计这个电阻的目的，是为了当用户不需要用这个引脚的功能时，不用外加元件，就可以设置这个引脚到缺省的状态。而不会使 CMOS 输入端悬空。使用时要注意如果这个缺省值不是你所要的, 你应该把这个输入端直接连到你需要的状态。



2、这个引脚如果是上拉的话，可以用于 "线或" 逻辑. 外接漏极开路或集电极开路输出的其他芯片，组成负逻辑或输入。如果是下拉的话,，可以组成正逻辑 "线或"，但外接只能是 CMOS 的高电平漏极开路的芯片输出，这是因为 CMOS 输出的高，低电平分别由PMOS 和 NMOS 的漏极给出电流，可以做成 P 漏开路或 N 漏开路。而 TTL 的高电平由源极跟随器输出电流，不适合 "线或"。



3、TTL 到 CMOS 的驱动或反之，原则上不建议用上下拉电阻来改变电平，最好加电平转换电路。如果两边的电源都是 5 伏，可以直接连但影响性能和稳定，尤其是 CMOS 驱动 TTL 时。两边逻辑电平不同时，一定要用电平转换. 电源电压 3 伏或以下时，建议不要用直连更不能用电阻拉电平。



4、芯片外加电阻由应用情况决定，但是在逻辑电路中用电阻拉电平或改善驱动能力都是不可行的，需要改善驱动应加驱动电路。改变电平应加电平转换电路，包括长线接收都有专门的芯片。