使用上拉下拉电阻器的常见问题,第1部分

在清晰、干净、理论的二元世界中,信号只存在于两个明确的状态,通常称为1和0(1和0)。然而,当工程专业的学生、业余爱好者和仅限于数字的专业人士进入实际的电路和系统世界时,他们发现二进制电路有三个状态:1,0和未定义(或不确定)。

这种最后的状态是不可取的,会导致电路和系统故障,操作不稳定,甚至是硬故障,所以在几乎所有的设计中都必须避免。幸运的是,这是相当容易实现的。请注意,从技术上讲,"二进制"是"数字"的一个特殊情况和子集,但这两个术语通常是互换使用的。

这个常见问题将探索上拉和下拉电阻的作用,以确保二进制(数字)电路点无可争议地在一个明确的1或0的水平上,并且间歇状态不能发生。这些电阻器通常用于与单片机输入/输出(I/O)针或其他数字门接口开关或其他组件。许多微控制器包括它们,但其他的却没有,允许界面的灵活性。

问:数字电路逻辑级别的现实是什么?

A: 数字逻辑电路实际上有三种逻辑状态:高、低和"浮动"(或高阻抗);后者是不确定的。当用仪表进行探测时,它可能会出现在它们之间的高、低或交替,但这是误导性的,它不是一个有效的逻辑级读数。

问:这是电路输入和输出的问题吗?

A: 是的,您可以有一个浮动输入或输出.它们可能有不同的"外表"和影响,尽管有相同的根本原因。

问:当观察实际电路中的逻辑水平时,是否有基本的原则要牢记?

A: 是的,有两种情况:1)电流需要一个流动路径,2)电压只在两个已知点之间定义时才有意义。当然,电压和电流并存和相互作用,你需要了解一个人的行动来了解另一个。

问:对电路中的浮动信号的关注是否与输入点和输出点有关?

A: 是的。输入是双极晶体管的底座或CMOS晶体管的闸门( Figure 1), 输出驱动基座或闸门来自另一个IC,或可能是一个离散的机械开关。在输入和输出案例中,关注点非常相似。

图1双极晶体管(左)和CMOS晶体管(右)的输入和输出结构得出的结论是,如果没有适当的连接安排,除了1和0的二元逻辑级之外,还可能存在一个未定义的状态。

图2没有通过电阻连接到电力轨,逻辑门输入是浮动的,当开关打开时不是在1或0,而当开关关闭时,它是在一个固定的逻辑0。

拉起与拉下电阻

什么是拉高电阻?什么是拉下电阻?

A: 拉起电阻是一种电阻,用来确保在没有输入信号的情况下,电路点"拉"到一个高逻辑水平;拉下电阻确保电路点太低(几乎总是"地面"或普通)。这些电阻器被用来正确地偏置数字闸门的输入,以阻止它们随意漂浮。它们也用于数字门的输出。

问:我们能看到这个"正在进行中"吗?"

A: 考虑一个简单的打开/关闭按钮开关连接到一个逻辑门的输入(记住,在现实世界中,门是由双极或CMOS晶体管构成的;它们不是某种抽象概念)。从电的角度看,开关看起来像短路或开路--非常简单。

如没有拉拔电阻( 图2 ),当开关打开时,逻辑门输入是浮动的,而不是在1或0;当开关关闭时,输入是硬连接到地面,逻辑0。

图3当开关打开时,添加拉高电阻确保逻辑1状态。

考虑相同的输入,但有一个拉高电阻( 图3 ).

当开关打开时,闸门输入的电压被拉到输入电压的水平(根据电路设计及其设计,被指定为VIN、VCC、VDS或电源轨),并符合逻辑1。当开关关闭时,闸门处的输入电压直接落到地面上.

简而言之,当你有一个低的默认阻抗时,你必须使用拉高电阻,并希望将信号拉到"高"。'

问:对于一个"硬"触点关闭开关来说,这一切都是有意义的,但是它如何应用于由另一个数字逻辑门的输出驱动的输入呢?

A: 如果你画出电路的示意图和模型,这是一个非常相似的情况。当驱动输出量低时,地面阻抗低,几乎但不完全短路;当输出量高时,有高阻抗路径,实际上没有电流流动,几乎是一个开路。

图4拉下电阻配置提供了对拉上电阻的作用补充。

问:输入上的下拉电阻器怎么样?

A: 除了作为它的补充之外,这是相同的原则( 图4 )。当开关打开时,闸门输入的电压被拉到地面。当开关关闭时,闸门的输入电压变为VIN.电压水平实际上会在没有电阻的两个电压之间浮动。当将输入电压拉到地面以防止输入出现未定义状态时,拉下电阻将逻辑信号保持在接近零电压(0V)的位置。

问:您能简单地比较和对比上拉和下拉电阻器的安排吗?

A: 图5 只是简单概述了它们的相关属性。

图5拉上和拉下电阻器模式有一些不同之处,尽管它们只涉及改变电路拓扑中一个组件的位置。

问:在闸门的输出端,甚至是基本晶体管的输出端,怎么样?

A: 这是一个类似的问题。如果输出收集器或排水管连接到"无",它就会浮起来,无法达到0或1的真实逻辑,因为没有电流路径。由于这个原因,大多数逻辑门都有内置的上拉或下拉输出电阻。

图6这个开放收集器配置使用无处不在的2N3904双极晶体管(在本例中)可以给外部负载提供能量或去能量。

问:为什么我有时会看到有"开放收集器"或"开放排水管"输出的盖茨?

A: 当你需要晶体管的输出来驱动外部的"现实世界"负载时,这是需要的。开放收集器输出是指连接到晶体管收集器的输出(这里是NPN器件)( 图6 )。NPN晶体管允许电流下沉到地面(更正确地称之为共同电路)。

通过使用打开的收集器或排水管,您可以使负载功能作为拉上电阻。负载可以是离散的电阻、继电器、电动机、灯具、LED或其他元件.

下一节讨论来源和下沉电流,以及电阻尺寸。