上拉電阻和下拉電阻的選型和設計計算

發(fā)布時間:2024-01-22
上拉就是將不確定的信號通過一個電阻鉗位在高電平,電阻同時起限流作用。下拉同理。也是將不確定的信號通過一個電阻鉗位在低電平。
上拉是對器件輸入電流,下拉是輸出電流;強弱只是上拉電阻的阻值不同,沒有什么嚴格區(qū)分;對于非集電極(或漏極)開路輸出型電路(如普通門電路)提升電流和電壓的能力是有限的,上拉電阻的功能主要是為集電極開路輸出型電路輸出電流通道。
常見各類技術資料上,有些技術規(guī)范寫道“無用的管腳不允許懸空狀態(tài),必須接上拉或下拉電阻以提供確定的工作狀態(tài)”。
這個提法基本是對的,但也不全對。下面詳細加以說明。
管腳上拉下拉電阻設計出發(fā)點有兩個:
一個是在正常工作或單一故障狀態(tài)下,管腳均不應出現(xiàn)不定狀態(tài),如接頭脫落后導致的管腳懸空;
二是從功耗的角度考慮,就是在長時間的管腳等待狀態(tài)下,管腳端口的電阻上不應消耗太多電流,尤其是對電池供電設備。
從抗擾的角度,信號端口優(yōu)選上拉電阻。上拉電阻時,在待機狀態(tài)下,源端輸入常為高阻態(tài),如果沒有上拉電阻或下拉電阻,輸入導線呈現(xiàn)天線效應,一旦管腳受到輻射干擾,管腳輸入狀態(tài)極容易被感應發(fā)生變化。所以,這個電阻是肯定要加的。下一個問題就是加上拉還是下拉。
如果加了下拉,在平常狀態(tài)下,輸入表現(xiàn)為低電平,但輻射干擾進來后,會通過下拉電阻瀉放到地,就會發(fā)生從low—high的一個跳變,產(chǎn)生誤觸發(fā)。相當于一個乞丐,你給了他10萬元,他的生活方式就會從窮人到富人發(fā)生一個改變。
但如果加了上拉電阻,在平常狀態(tài)下,輸入表現(xiàn)為高電平,輻射干擾進來后,如果低也沒關系,上拉電阻會將輸入端鉗位在高電平,如果輻射干擾強,超過了vcc的電平,導線上的高電平干擾會通過上拉電阻瀉放到vcc上去,無論怎樣干擾,都只會發(fā)生high—higher的變化,不會產(chǎn)生誤觸發(fā)。相當于人家本來是一個富豪,你給了他10萬元,他的生活方式不會發(fā)生任何的改變。
圖1和圖2是干擾狀態(tài)下的電平示意圖。圖2中的低電平由vl變?yōu)関l+δv時,產(chǎn)生了從低電平到高電平的跳變,有可能使后級電路誤動作的風險。
下一個問題就是,確定了用上拉電阻后,是不是上拉電阻就可以隨便選了呢?答案當然是“no”。(如圖3)
a、當i0 >= i1 + i2
這種情況下,rl1和rl2兩個負載不會通過r取電流,因此對r阻值大小要求不高,通常4.7 kω
b、當i0 < i1 + i2
i0 +i= i1 + i2
u=vcc-ir
u>=vhmin
由以上三式計算得出,r<=(vcc- vhmin)/i
其中,i0、i1、i2都是可以從datasheet查到的,i就可以求出來,vhmin也是可以查到的。
當前極vout輸出低電平時,各管腳均為灌電流,則:
i’= i1’ + i2’ +i0’
u’ =vcc-i’ r
u’ <=vlmax
以上三式可以得出:r>=(vcc- vlmax)/i’
由以上二式計算出r的上限值和下限值,從中取一個較靠近中間狀態(tài)的值即可。注意,如果負載的個數(shù)大小不定的話,要按照最壞的情況計算,上限值要按負載最多的時候計算,下限值要按負載最少的計算。
另一種選擇方式是基于功耗的考慮。根據(jù)電路實際應用時,輸出信號狀態(tài)的頻率或時間比選擇。若信號vout長期處于低電平,宜選擇下拉電阻;若長期處于高電平,宜選擇上拉電阻。為的是靜態(tài)電流小。
“設計永遠是妥協(xié)與權衡的藝術”,至于最終選擇那種方案,設計師的技術決策還是很重要的。電路設計的魅力也就在于此。
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