1）什么是上下拉電阻？

首先上拉電阻是把一個(gè)信號(hào)通過(guò)一個(gè)電阻接到電源（VCC），下拉電阻是信號(hào)接到地(GND)。那么電路功能如果已經(jīng)完成，我們?yōu)槭裁催€需要額外增加一個(gè)電阻連接到電源或GND呢？這個(gè)電阻的阻值為什么是這么大？有什么依據(jù)嗎？如果我們不理解為什么需要上拉和下拉，則電路設(shè)計(jì)中很可能只會(huì)“抄電路”。一旦電路現(xiàn)象異常，會(huì)束手無(wú)策。

我們經(jīng)常聽到，“強(qiáng)上拉”“弱上拉”，是什么意思呢？弱強(qiáng)只是上拉電阻的阻值不同，沒有什么嚴(yán)格區(qū)分。例如，50Ω上拉，則一般稱為強(qiáng)上拉；100kΩ上拉則稱為弱上拉。下拉也是一樣的。強(qiáng)拉電阻的極端就是零歐姆電阻，亦即將信號(hào)線直接與電源或地相連接。

2）上下拉電阻的作用

上下拉電阻的作用其實(shí)很寬泛，所以很少有教科書把上下拉電阻的應(yīng)用方法進(jìn)行匯總。因?yàn)椴煌念I(lǐng)域使用方法也不同，此處我們整理一些常見的使用方法。

（1）維持輸入管腳是一個(gè)穩(wěn)定態(tài)。

芯片的管腳有三個(gè)類型，輸出（Output，簡(jiǎn)稱O）、輸入（Input，簡(jiǎn)稱I）和輸入輸出（Input/Output，簡(jiǎn)稱I/O）。芯片的輸入管腳，輸入的狀態(tài)有三個(gè)：高電平、低電平、和高阻狀態(tài)。當(dāng)輸入是高阻，即輸入管腳懸空，很可能造成輸入的結(jié)果是不定態(tài)，引起輸出振蕩。有些應(yīng)用場(chǎng)合不希望出現(xiàn)高阻狀態(tài)，可以通過(guò)上拉電阻或下拉電阻的方式使這個(gè)輸入管腳處于穩(wěn)定狀態(tài)。

用法示例：當(dāng)接有上拉電阻的端口設(shè)為輸入狀態(tài)時(shí)，常態(tài)為高電平，用于檢測(cè)低電平的輸入；當(dāng)接有下拉電阻設(shè)為輸入狀態(tài)時(shí)，常態(tài)為低電平，用于檢測(cè)高電平輸入。用法示例：當(dāng)接有上拉電阻的端口設(shè)為輸入狀態(tài)時(shí)，常態(tài)為高電平，用于檢測(cè)低電平的輸入，如圖（a）所示；當(dāng)接有下拉電阻設(shè)為輸入狀態(tài)時(shí)，常態(tài)為低電平，用于檢測(cè)高電平輸入，如圖31.1（b）所示。

輸入管腳的上下拉電阻

按鍵電路設(shè)計(jì)、復(fù)位電路設(shè)計(jì)等都是這個(gè)情況的上下拉電阻。至于具體是上拉還是下拉，取決于我們需要的默認(rèn)狀態(tài)，如圖31.2所示。

按鍵電路的上下拉電阻

在按鍵電路中，增加上拉電阻的目的是使當(dāng)按鍵斷開時(shí)，KeyIn1處于高電平狀態(tài)，若無(wú)上拉，懸空，狀態(tài)無(wú)法確定。斷開為1，閉合為0，數(shù)字邏輯關(guān)系明確。

在COMS芯片上，為了防止靜電造成損壞，不用的管腳不能懸空，一般接上拉電阻降低輸入阻抗提供泄荷通路。也是一樣的道理。

（2）三極管實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換電路的外圍電阻。

首先要了解三極管的基本原理，三極管屬于電流控制電流型元件，與MOS管不同，MOS管屬于電壓控制電壓型元件。三極管有三個(gè)工作區(qū)：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。以NPN三極管為例，BE之間那個(gè)箭頭很像一個(gè)二極管，其實(shí)BE之間就是一個(gè)二極管，BE的壓差(UBE)約為0.6V左右（實(shí)際大小與元器件的型號(hào)有關(guān)），當(dāng)UBE＜0.6V時(shí)，BE間的等效二極管沒有導(dǎo)通，此時(shí)的三極管也就處于截止?fàn)顟B(tài)；隨著BE間的電壓上升，三極管進(jìn)入放大區(qū)，三極管處于放大區(qū)或飽和區(qū)時(shí)UBE=0.6V。這時(shí)BE的壓差不會(huì)隨著輸入的電壓變高而繼續(xù)增加，體現(xiàn)出二極管的特性，保持一個(gè)導(dǎo)通電壓。

如圖所示，輸入信號(hào)如果是個(gè)3.3V電壓信號(hào)，三極管的BE電路等效于一個(gè)二極管。我們不會(huì)把二極管兩端直接接到電壓和GND之間，一般會(huì)串聯(lián)個(gè)電阻，進(jìn)行電流控制。

三極管電平轉(zhuǎn)換電路

R1電阻屬于限流電阻，因?yàn)槿龢O管屬于電流控制元件，當(dāng)三極管屬于放大或飽和狀態(tài)時(shí)，UBE的電壓為0.6V，可以根據(jù)輸入電壓U計(jì)算基極的電流，計(jì)算公式為Ib=(U-0.6)/R1，從公式也可以看出，若不接限流電阻R1，當(dāng)輸入電壓大于0.6V時(shí)，基極的電流會(huì)非常大，從而燒毀三極管。

需根據(jù)輸入電壓、管子的特性進(jìn)行計(jì)算，如該三極管的放大倍數(shù)β為50（三極管的固有特性，在放大狀態(tài)Ic的電流大小是Ib的β倍）。

輸出電壓Vout=VCC-Ic*R2。通過(guò)這個(gè)公式，我們可以看出：VCC確定，如圖31.1中VCC為12V，Vout在Ic為0時(shí)達(dá)到最大值12V等于VCC，由于是數(shù)字電路，Vout需要達(dá)到0V附近，實(shí)現(xiàn)低電平的效果，那么如果R2我們選定為1kΩ，則很容易計(jì)算出Ic的讓三極管達(dá)到飽和狀態(tài)的值，如式

三極管的通流能力是有限的，如果我們選定的三極管集電極的額定電流為500mA，那么Ic的最大值Ic(max)=500mA。所以，R2的選值不能太小，避免Ic太大導(dǎo)致三極管燒毀。通過(guò)公式，我們?nèi)ダ斫怙柡偷母拍钭兊酶菀祝杭姌O電阻越大越容易飽和；飽和區(qū)的現(xiàn)象就是：二個(gè)PN結(jié)均正偏，Ic不受Ib之控制，因?yàn)閂out已經(jīng)接近GND了，不可能憑空產(chǎn)生負(fù)電壓。

如果，輸入電壓為3.3V，若要求設(shè)計(jì)時(shí)三極管處于飽和狀態(tài)，則Ic(飽和)=12mA，那么Ib(min)=Ic(飽和)/β=12mA/50=0.24mA，則基極限流電阻R1(max)=(3.3V-0.6V)/Ib(min)=11.25kΩ。若要求輸入3.3V時(shí)，三極管飽和，并且我們要求考慮三極管放大系數(shù)β、電阻、VCC電壓的離散型、精度、波動(dòng)等因素，我們需要留夠足夠的余量。于是我們一般此時(shí)可能選擇R1為1kΩ電阻，讓三極管足夠飽和。另外R1的阻值也不能太小，需要考慮Ib的額定電流。另外R1、R2都不能太小的一個(gè)原因是我們需要考慮功耗和節(jié)能。

若把圖中的NPN三極管換成N溝道的MOS管，原理也是一樣的，當(dāng)輸入高電平時(shí)，管子導(dǎo)通，輸入低電平時(shí)，管子截止，如下圖所示。但此時(shí)需要注意的是，讓MOS進(jìn)入打開的狀態(tài)條件是GS的電壓，這個(gè)電壓比三極管的大約0.6V不同，一般在2V以上。所以，低壓控制高壓時(shí)要注意GS的閾值電壓。但因?yàn)镚S的穩(wěn)態(tài)電流非常小，幾乎為0，所以能耗情況比三極管好。如果效率有要求，Rds（on）跟輸入側(cè)的電壓也是相關(guān)的。需要考慮VG在不同電壓情況下的，導(dǎo)通阻抗。

MOSFET電平轉(zhuǎn)化電路

因?yàn)檫@樣的電路是一個(gè)反向的邏輯，因?yàn)檩斎霝楦唠娖綍r(shí)，輸出為低電平。我們很可能連續(xù)用兩個(gè)三極管把邏輯做成正向邏輯。此時(shí)R2就很可能成為下一級(jí)電路的R1，此時(shí)的R2就既不能太大，也不能太小，如圖31.5所示。

兩級(jí)三極管電平轉(zhuǎn)化電路

（3）OC、OD電路。

對(duì)于OC（Open Collector，集電極開路）、OD（Open?Drain，漏極開路）電路上拉電阻的功能主要是為集電極開路輸出型電路提供輸出電流通道。有些芯片他們的一些輸出管腳，集成了三極管或MOSFET，但是沒有集成上拉電阻到VCC。典型的OC電路如圖31.6所示。所以，這些管腳其實(shí)就是一個(gè)集電極，而且是個(gè)開路，所以就稱為OC。按照我們介紹的三極管的外圍電路，這個(gè)上拉電阻是必須的內(nèi)容，我們?cè)谠韴D中在OC、OD電路放置的上拉電阻，原本就是讓電路功能完整的必須內(nèi)容。

集電極開路電路

OC或OD的由來(lái)，是用于設(shè)計(jì)一種“線與”電路。兩個(gè)或多個(gè)輸出信號(hào)連接在一起可以實(shí)現(xiàn)邏輯“與”的功能。如圖31.7所示，兩個(gè)輸入只要有其中一個(gè)輸入為低電平，就可以讓輸出為低電平，兩個(gè)輸入都是高電平時(shí)，輸出才為高電平。

兩個(gè)OC電路實(shí)現(xiàn)“線與”

（4）總線的I/O接口上下拉電阻。

一些總線有輸出輸出接口，本質(zhì)就是OC或OD的接口。I2C（Inter Integrated Circuit，內(nèi)部集成電路）總線就是典型的OD輸出結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，典型的I2C電路都有上拉電阻，如圖所示。

I2C總線上拉電阻

I2C接口的SCL與SDA都是OD輸出結(jié)構(gòu)輸出，這樣的好處是可以作為雙向數(shù)據(jù)總線。OC、OD電路往往是剛剛說(shuō)的輸入輸出管腳，然而一些總線的I/O就是一些雙向數(shù)據(jù)的信號(hào)，其實(shí)就是把輸入和輸出短接在一起，然后把輸出做成OC或OD。這樣處理不單用一根信號(hào)實(shí)現(xiàn)了雙向數(shù)據(jù)，既可以輸出又可以輸入，同時(shí)解決了雙向數(shù)據(jù)如果同時(shí)發(fā)送帶來(lái)的數(shù)據(jù)沖突的問(wèn)題。

一般來(lái)說(shuō)，芯片的輸出管腳是推挽結(jié)構(gòu)。如果兩個(gè)芯片的推挽結(jié)構(gòu)輸出管腳連接在一起，某一個(gè)時(shí)刻兩個(gè)芯片同為輸出，一個(gè)如果輸出為高、一個(gè)輸出為低，則可能出現(xiàn)短路的現(xiàn)象，工作中稱為“總線沖突”，如圖所示。用OC、OD電路可以避免短路，所有絕大多數(shù)總線都是采用這種方式設(shè)計(jì)，如I2C、LPC、PCI等總線的輸入輸出管腳都是這樣的管腳類型。當(dāng)然也有些總線方式，I/O端口不需要外接，是芯片內(nèi)置了上拉電阻。

推挽結(jié)構(gòu)輸出管腳短路

對(duì)于I2C總線，總線上有兩個(gè)芯片或多個(gè)芯片，所有芯片的引腳輸出什么狀態(tài)，都不會(huì)出現(xiàn)短路的情況引起數(shù)據(jù)沖突，配合各自芯片內(nèi)部的數(shù)據(jù)識(shí)別電路及仲裁系統(tǒng)，雙方都可以主動(dòng)給另一方發(fā)送信息。也就是說(shuō)，任何一方都可以將拉低，不拉低時(shí)就是釋放總線，總線上為高電平，而不會(huì)影響起數(shù)據(jù)沖突，如圖31.10所示。

OC輸出管腳電流

（5）增加輸出管腳的驅(qū)動(dòng)能力。

芯片的輸出管腳本身并不是OC、OD，但是有時(shí)我們也會(huì)增加一個(gè)上拉電阻或下拉電阻，通過(guò)上拉或下拉來(lái)增加或減小驅(qū)動(dòng)電流。

例如，一個(gè)單片機(jī)的I/O口內(nèi)部有一個(gè)幾十kΩ，最大輸出電流也就是250μA，因此當(dāng)我們?cè)黾右粋€(gè)上拉電阻時(shí)，可以形成和內(nèi)部上拉電阻并聯(lián)結(jié)構(gòu)，增加高電平時(shí)電流的輸出能力。在負(fù)載增大時(shí)，仍然能夠保持足夠的電壓。

（6）電平標(biāo)準(zhǔn)匹配。

改變電平的電位，常用在TTL-CMOS匹配。當(dāng)TTL電路驅(qū)動(dòng)COMS電路時(shí)，若TTL電路輸出的高電平低于COMS電路的最低高電平（一般為3.5V），這時(shí)就需要在TTL的輸出端接上拉電阻，以提高輸出高電平值。需要注意的是，此時(shí)上拉電阻連接的電壓值應(yīng)不低于CMOS電路的最低高電壓，同時(shí)又要考慮TTL電路方的電流（如某端口最大輸入或輸出電流）的影響。

（7）增強(qiáng)電路抗干擾能力。

芯片的管腳加上拉電阻來(lái)提高輸出電平，從而提高芯片輸入信號(hào)的噪聲容限，增強(qiáng)抗干擾能力。長(zhǎng)線傳輸中，電阻不匹配容易引起反射波干擾，加上下拉電阻是電阻匹配，有效地抑制反射波干擾。提高總線的抗電磁干擾能力，管腳懸空就比較容易受外界的電磁干擾。

3）上拉電阻阻值選擇原則

（1）從節(jié)約功耗及芯片的灌電流能力考慮，電阻值應(yīng)當(dāng)足夠大；電阻越大，電流越小。

（2）從確保足夠的驅(qū)動(dòng)電流考慮，電阻值需要足夠??；電阻越小，電流越大。

（3）對(duì)于高速電路，過(guò)大的上拉電阻可能邊沿變平緩。需要電阻與電路寄生電容形成RC濾波電路，影響信號(hào)的高頻分量的傳輸。

（4）驅(qū)動(dòng)能力與功耗的平衡。以上拉電阻為例，一般地說(shuō)，上拉電阻越小，驅(qū)動(dòng)能力越強(qiáng)，但功耗越大，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意兩者之間的均衡。

（5）下級(jí)電路的驅(qū)動(dòng)需求。同樣以上拉電阻為例，當(dāng)輸出高電平時(shí)，開關(guān)管斷開，上拉電阻應(yīng)適當(dāng)選擇以能夠向下級(jí)電路提供足夠的電流。

（6）高低電平的設(shè)定。不同電路的高低電平的門檻電平會(huì)有不同，電阻應(yīng)適當(dāng)設(shè)定以確保能輸出正確的電平。以上拉電阻為例，當(dāng)輸出低電平時(shí)，開關(guān)管導(dǎo)通，上拉電阻和開關(guān)管導(dǎo)通電阻分壓值應(yīng)確保在零電平門檻之下。

（7）頻率特性。以上拉電阻為例，上拉電阻和開關(guān)管漏源級(jí)之間的電容和下級(jí)電路之間的輸入電容會(huì)形成RC延遲，電阻越大，延遲越大。上拉電阻的設(shè)定應(yīng)考慮電路在這方面的需求。

4）吸電流、拉電流、灌電流

在集成電路中，吸電流、拉電流輸出和灌電流輸出是一個(gè)很重要的概念。

拉電流：主動(dòng)輸出電流，是從輸出口輸出電流。

灌電流：被動(dòng)輸入電流，是從輸出端口流入吸電流。

吸電流：吸則是主動(dòng)吸入電流，是從輸入端口流入吸電流和灌電流就是從芯片外電路通過(guò)引腳流入芯片內(nèi)的電流，區(qū)別在于吸收電流是主動(dòng)的，從芯片輸入端流入的叫吸收電流。

拉電流是數(shù)字電路輸出高電平給負(fù)載提供的輸出電流，灌電流時(shí)輸出低電平是外部給數(shù)字電路的輸入電流，它們實(shí)際就是輸入、輸出電流能力。

吸電流是對(duì)輸入端（輸入端吸入）而言的；而拉電流（輸出端流出）和灌電流（輸出端被灌入）是相對(duì)輸出端而言的。