MCU電路上拉電阻、下拉電阻的概念

我們會(huì)經(jīng)常聽到弱上拉、弱下拉，還有與之相對應(yīng)的強(qiáng)上拉、強(qiáng)下拉。強(qiáng)、弱到底是什么概念？阻值多大算是強(qiáng)和弱？?

要搞清楚這個(gè)問題，首先要先理解一下上拉電阻、下拉電阻的概念。假設(shè)有下面這么一個(gè)電路，MCU需要檢測開關(guān)的通斷。

當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，MCU IO檢測到0，但是當(dāng)時(shí)開關(guān)開啟時(shí)，IO引腳處于floating狀態(tài)，容易受干擾而處于未知狀態(tài)。

這時(shí)可以在IO口上加一個(gè)電阻到Vdd，這樣開關(guān)斷開時(shí)就能保證電平是固定的高電平1，這個(gè)電阻就叫做上拉電阻。

下拉電阻類似，它的作用是開關(guān)斷開時(shí)，保證電平是固定的低電平0。

那么這個(gè)阻值該用多大呢?

首先阻值不能太小，因?yàn)樘?，開關(guān)閉合時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的電流，會(huì)引起一來功耗大，二來也不安全。試想一下電阻為0是什么后果。

另外阻值也不能太大，阻值太大，上拉/下拉的作用就變?nèi)?，越大越接近于開路，開關(guān)斷開時(shí)IO就越接近于浮空狀態(tài)，就越容易受干擾。試想一下阻值無窮大是什么效果。

所以這個(gè)電阻既不太大，也不太小，一般是幾K到幾十K大小，兼顧了功耗和上下拉作用。

這里就引入了強(qiáng)弱的概念，弱就是阻值大，強(qiáng)就是阻值小。?

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注意這只是個(gè)相對概念。

MCU一般內(nèi)部也帶上下拉電阻，可以配置是否開啟，以STM32F103為例，從下圖可以看出 內(nèi)部有上下來on/off開關(guān)。

手冊上寫的是弱上拉/下拉，阻值大小典型值為40kΩ

補(bǔ)充說明，上面介紹的上下拉電阻是對MCU IO輸入來說的，輸出也可能會(huì)用到，比如對于開漏輸出的IO，就必須加上上拉電阻，否則輸出不了高電平。原因是開漏輸出結(jié)構(gòu)如下，漏極是開路的

它只有一個(gè)NMOS，當(dāng)控制輸出0時(shí)，NMOS導(dǎo)通，Output Pin輸出0，但是當(dāng)控制輸出1時(shí)，NMOS截止，輸出的是高阻態(tài)。要能輸出1，必須外面接一個(gè)上拉電阻。

這種結(jié)構(gòu)的好處可以用在電平不匹配的場合，可以靈活的輸出1.8V/3.3V/5V等高電平，只要把Vdd接到不同的電壓上即可。另外它還具有”線與”的特性，即多個(gè)開漏引腳連接在一起，只有當(dāng)每個(gè)都輸出1時(shí)它才能輸出高電平，只要有一個(gè)輸出0，所有的引腳電壓都被拉低。常見的IIC總線就是用這種結(jié)構(gòu)

這個(gè)上拉電阻的阻值選取也是有講究的，也是既不能太小，也不能太大。因?yàn)樘〉脑挘琁O口上就會(huì)承受較大的輸入電流，而IO的輸入電流是有限制的。太大的話，會(huì)影響IIC的通信速度，因?yàn)榭偩€上還有負(fù)載電容，電阻太大，電容充放電時(shí)間就會(huì)久，影響上升沿、下降沿時(shí)間。關(guān)于這個(gè)具體計(jì)算，可以參考TI的一篇文檔：https://www.ti.com/lit/ml/slva689/slva689.pdf?ts=1679814584051

該文檔詳細(xì)描述了計(jì)算方法：

審核編輯：黃飛

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