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上拉（Pull Up ）或下拉（Pull Down）電阻（兩者統(tǒng)稱為“拉電阻”）最基本的作用是：將狀態(tài)不確定的信號(hào)線通過(guò)一個(gè)電阻將其箝位至高電平（上拉）或低電平（下拉），無(wú)論它的具體用法如何，這個(gè)基本的作用都是相同的，只是在不同應(yīng)用場(chǎng)合中會(huì)對(duì)電阻的阻值要求有所不同，從而也引出了諸多新的概念，本節(jié)我們就來(lái)小談一下這些內(nèi)容。
如果拉電阻用于輸入信號(hào)引腳，通常的作用是將信號(hào)線強(qiáng)制箝位至某個(gè)電平，以防止信號(hào)線因懸空而出現(xiàn)不確定的狀態(tài)，繼而導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)不期望的狀態(tài)，如下圖所示：
在實(shí)際應(yīng)用中，10K歐姆的電阻是使用數(shù)量最多的拉電阻。需要使用上拉電阻還是下拉電阻，主要取決于電路系統(tǒng)本身的需要，比如，對(duì)于高有效的使能控制信號(hào)（EN）， 我們希望電路系統(tǒng)在上電后應(yīng)處于無(wú)效狀態(tài)，則會(huì)使用下拉電阻。
假設(shè)這個(gè)使能信號(hào)是用來(lái)控制電機(jī)的，如果懸空的話，此信號(hào)線可能在上電后（或在運(yùn)行中）受到其它噪聲干擾而誤觸發(fā)為高電平，從而導(dǎo)致電機(jī)出現(xiàn)不期望的轉(zhuǎn)動(dòng)，這肯定不是我們想要的，此時(shí)可以增加一個(gè)下拉電阻。
而相應(yīng)的，對(duì)于低有效的復(fù)位控制信號(hào)（RST#），我們希望上電復(fù)位后處于無(wú)效狀態(tài)，則應(yīng)使用上拉電阻。
大多數(shù)具備邏輯控制功能的芯片（如單片機(jī)、FPGA等）都會(huì)集成上拉或下拉電阻，用戶可根據(jù)需要選擇是否打開(kāi)，STM32單片機(jī)GPIO模式即包含上拉或下拉，如下圖所示（來(lái)自ST數(shù)據(jù)手冊(cè)）：
根據(jù)拉電阻的阻值大小，我們還可以分為強(qiáng)拉或弱拉（weak pull-up/down），芯片內(nèi)部集成的拉電阻通常都是弱拉（電阻比較大），拉電阻越小則表示電平能力越強(qiáng)（強(qiáng)拉），可以抵抗外部噪聲的能力也越強(qiáng)（也就是說(shuō)，不期望出現(xiàn)的干擾噪聲如果要更改強(qiáng)拉的信號(hào)電平，則需要的能量也必須相應(yīng)加強(qiáng)），但是拉電阻越小則相應(yīng)的功耗也越大，因?yàn)檎Ｐ盘?hào)要改變信號(hào)線的狀態(tài)也需要更多的能量，在能量消耗這一方面，拉電阻是絕不會(huì)有所偏頗的，如下圖所示：
對(duì)于上拉電阻R1而言，控制信號(hào)每次拉低L都會(huì)產(chǎn)生VCC/R1的電流消耗（沒(méi)有上拉電阻則電流為0），相應(yīng)的，對(duì)于下拉電阻R2而言，控制信號(hào)每次拉高H也會(huì)產(chǎn)生VCC/R2R 電流消耗（本文假設(shè)高電平即為VCC）。
強(qiáng)拉與弱拉之間沒(méi)有嚴(yán)格說(shuō)多少歐姆是強(qiáng)弱的分界，一般我們使用的拉電阻都是弱拉，這樣我們?nèi)匀豢梢允褂猛獠靠刂菩盘?hào)將已經(jīng)上/下拉的信號(hào)線根據(jù)需要進(jìn)行電平的更改。
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，比如，對(duì)于EEPROM存儲(chǔ)芯片24C02應(yīng)用電路，如下圖所示：
其中，E0,E1,E2（地址配置位）在應(yīng)用中通常都是直接強(qiáng)上拉到電源VCC，或強(qiáng)下拉到GND，因?yàn)榇鎯?chǔ)芯片的地址在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中是不會(huì)再發(fā)生變化的，同樣，芯片的寫(xiě)控制引腳WC（Write Control）也被強(qiáng)下拉到GND。
拉電阻作為輸出（或輸入輸出）時(shí)牽涉到的知識(shí)點(diǎn)會(huì)更多一些，但本質(zhì)的功能也是將電平箝位，最常見(jiàn)的輸出上拉電阻出現(xiàn)在開(kāi)集（Open Collector,OC）或開(kāi)漏（Open Drain,OD）結(jié)構(gòu)的引腳。
我們有很多芯片的輸出引腳是推挽輸出結(jié)構(gòu)（Output Push-Pull），如下圖所示（還有一種反相輸出的結(jié)構(gòu)，本質(zhì)也是一樣的）：
推挽輸出結(jié)構(gòu)引腳的特點(diǎn)是：無(wú)論引腳輸出高電平“H”還是低電平“L”，都有比較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力（輸入或輸出電流能力）！
當(dāng)推挽輸出結(jié)構(gòu)的控制信號(hào)為低電平“L”時(shí)，Q1截止Q2導(dǎo)通，電流I1由電源VCC經(jīng)負(fù)載RL與三極管Q2流向公共地，我們稱此電流為灌電流（Sink Current），也就是外部電流灌入芯片內(nèi)部，如下圖所示：
相應(yīng)的，當(dāng)推挽輸出結(jié)構(gòu)的控制信號(hào)為高電平“H”時(shí)，Q1導(dǎo)通Q2截止，電流I1由電源VCC經(jīng)三極管Q1與負(fù)載RL流向公共地，我們稱此電流為拉電流（Source Current），也就是芯片內(nèi)部可以向外提供的電流（所以稱之為“源電源”），從另一個(gè)角度講，也就是外電路可以從芯片中拉走多少電流，如下圖所示：
灌電流能力與拉電流能力也稱為芯片引腳的驅(qū)動(dòng)能力。對(duì)于任何給定的芯片，引腳的驅(qū)動(dòng)能力都是有限的，如下圖所示為STM32單片機(jī)的IO引腳電流驅(qū)動(dòng)能力（來(lái)自ST數(shù)據(jù)手冊(cè)）：
由上表可知，STM32的IO引腳的驅(qū)動(dòng)能力為25mA，負(fù)號(hào)“-”表示電流的方向，灌與拉的電流方向是相反的（表中SUNK為SINK的過(guò)去分詞）
由于芯片引腳的驅(qū)動(dòng)能力都是有限的，如果引腳驅(qū)動(dòng)的負(fù)載比較重，將可能導(dǎo)致輸出電平不正確（無(wú)法輸出預(yù)定的電平），如下圖所示：
假定芯片的供電電壓為3.3V（忽略晶體管飽和壓降），則輸出最大電流25mA時(shí)，負(fù)載RL的值約為132歐姆（3.3V/25mA），如果負(fù)載值小于132歐姆，則相應(yīng)輸出電流會(huì)更大（超過(guò)25mA），但是芯片引腳只能提供最大25mA的電流，因此，輸出電平將會(huì)下降（老板你只給我2500月薪，我就只能干2500的活，你要我干更多的活得開(kāi)更多的工資，一個(gè)道理）
一般情況下，這種驅(qū)動(dòng)重負(fù)載（小電阻）的電路連接是不會(huì)燒毀內(nèi)部晶體管的，因?yàn)閮?nèi)部也是有限流電阻的，換句話講，就算輸出引腳對(duì)地短路，輸出電流也不會(huì)超過(guò)最大的驅(qū)動(dòng)能力（除非是不正規(guī)的芯片），當(dāng)然，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中盡量不要超出引腳的驅(qū)動(dòng)能力。
而OC（OD）的引腳輸出結(jié)構(gòu)有所不同（OC結(jié)構(gòu)存在于三極管，而OD結(jié)構(gòu)存在于場(chǎng)效管，下面以O(shè)C輸出結(jié)構(gòu)為例，OD輸出結(jié)構(gòu)的原理是一致的），如下圖所示：
當(dāng)三極管Q1的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)為高電平“H”時(shí)，Q1飽和導(dǎo)通，將對(duì)應(yīng)輸出引腳拉為低電平“L”，如下圖所示：
但是當(dāng)控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)為低電平“L”時(shí)，三極管Q1截止，如果沒(méi)有外部上拉電阻的話，該引腳相當(dāng)于懸空（高阻態(tài)），無(wú)法輸出高電平，也就是說(shuō)，OC/OD結(jié)構(gòu)輸出的引腳沒(méi)有拉電流（向外部電路提供電流）能力。因此，我們通常都會(huì)將OC/OD引腳通過(guò)外接電阻上拉到電源電壓VCC，這樣引腳輸出高電平時(shí)的拉電流就直接由電源VCC提供，如下圖所示：
大多數(shù)比較器芯片的輸出都是OD/OC輸出結(jié)構(gòu)，如下圖所示（來(lái)自TI比較器LM393數(shù)據(jù)手冊(cè)）：
很多芯片或模塊向外反饋系統(tǒng)狀態(tài)的信號(hào)引腳也是這種結(jié)構(gòu)，這樣用戶就可以根據(jù)電路系統(tǒng)實(shí)際需要將電平上拉到對(duì)應(yīng)的電源電壓VCC，就可以省略電平轉(zhuǎn)換了，如下圖所示（來(lái)自東芝步進(jìn)電機(jī)控制芯片TB6560數(shù)據(jù)手冊(cè)）：
I2C（Inter Integrated Circuit,內(nèi)部集成電路）總線也是典型的OD輸出結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，如下圖所示：
其中，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（也稱“線或Wire-OR”功能）。
如果芯片引腳使用之前描述的推挽結(jié)構(gòu)，則兩個(gè)或多個(gè)芯片的引腳連接時(shí)將如下圖所示：
假設(shè)如上圖所示芯片的輸出分別為0與1，則兩者直接相互連接后，會(huì)有非常大的電流自電源VCC經(jīng)Q1與Q4到公共地，雖然大多數(shù)情況下不至于燒芯片，但也會(huì)引起很大的功率消耗，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)沖突（芯片1總會(huì)試圖將數(shù)據(jù)線拉高，而芯片2則會(huì)試圖將數(shù)據(jù)線拉低，我們稱之為數(shù)據(jù)沖突或總線沖突，表示雙方都在搶占總線）
如果使用OC/OD輸出結(jié)構(gòu)，則相應(yīng)的電路如下圖所示：
此時(shí)，無(wú)論兩個(gè)芯片的引腳輸出什么狀態(tài)，都不會(huì)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)，任何一方都可以將信號(hào)線拉高或拉低，而不會(huì)影響起數(shù)據(jù)沖突。
我們所熟悉的51單片機(jī)P0口也是OD結(jié)構(gòu)，如下圖所示（來(lái)自ATMEL單片機(jī)AT89C51數(shù)據(jù)手冊(cè)）：
這樣我們可以使用同一個(gè)P0口，再配合多個(gè)片選信號(hào)即可訪問(wèn)多個(gè)外掛的存儲(chǔ)芯片。
前面所述上拉電阻的阻值對(duì)輸入引腳引起的功耗同樣適用于輸出拉電阻，因此拉電阻不宜太小，但在輸出信號(hào)速度比較快的電路下，拉電阻也不宜太大，如下圖所示為I2C總線上拉電阻的參考最大值（來(lái)自ST存儲(chǔ)芯片 AT24C02數(shù)據(jù)手冊(cè)）。
在總線上總會(huì)有些雜散電容CBUS，這些電容與上拉電阻RL形成了一個(gè)RC充放電電路，上拉電阻越大則充放電常數(shù)越大，這樣會(huì)把原先比較陡峭的數(shù)據(jù)邊沿變得平緩，如下圖所示：
嚴(yán)重的情況下將導(dǎo)致數(shù)據(jù)無(wú)法正常識(shí)別，這樣我們只能進(jìn)一步優(yōu)化電路參路，或降低通訊的速率。
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