原创 上拉电阻和下拉电阻的选型和计算

常见各类技术资料上，有些技术规范写道“无用的管脚不允许悬空状态，必须接上拉或下拉电阻以提供确定的工作状态”。

这个提法基本是对的，但也不全对。下面详细加以说明。

管脚上拉下拉电阻设计出发点有两个：

一个是在正常工作或单一故障状态下，管脚均不应出现不定状态，如接头脱落后导致的管脚悬空；

二是从功耗的角度考虑，就是在长时间的管脚等待状态下，管脚端口的电阻上不应消耗太多电流，尤其是对电池供电设备。

从抗扰的角度，信号端口优选上拉电阻。上拉电阻时，在待机状态下，源端输入常为高阻态，如果没有上拉电阻或下拉电阻，输入导线呈现天线效应，一旦管脚受到辐射干扰，管脚输入状态极容易被感应发生变化。所以，这个电阻是肯定要加的。下一个问题就是加上拉还是下拉。

如果加了下拉，在平常状态下，输入表现为低电平，但辐射干扰进来后，会通过下拉电阻泻放到地，就会发生从Low—High的一个跳变，产生误触发。相当于一个乞丐，你给了他10万元，他的生活方式就会从穷人到富人发生一个改变。

但如果加了上拉电阻，在平常状态下，输入表现为高电平，辐射干扰进来后，如果低也没关系，上拉电阻会将输入端钳位在高电平，如果辐射干扰强，超过了Vcc的电平，导线上的高电平干扰会通过上拉电阻泻放到Vcc上去，无论怎样干扰，都只会发生High—Higher的变化，不会产生误触发。相当于人家本来是一个富豪，你给了他10万元，他的生活方式不会发生任何的改变。

    图1和图2是干扰状态下的电平示意图。图2中的低电平由V_L变为V_L+ΔV时，产生了从低电平到高电平的跳变，有可能使后级电路误动作的风险。

    下一个问题就是，确定了用上拉电阻后，是不是上拉电阻就可以随便选了呢？答案当然是“no”。（如图3）

    在前极输出高电平时，Vout输出电流，U为高电平。有两种情况：

A、当I₀ >= I₁ + I₂

    这种情况下，RL1和RL2两个负载不会通过R取电流，因此对R阻值大小要求不高，通常4.7 KΩ<R<20 KΩ即可。此时R的主要作用是增加信号可靠性，当Vout连线松动或脱落时，抑制电路产生鞭状天线效应吸收干扰。

B、当I₀ < I₁ + I₂

    I₀ +I= I₁ + I₂

    U=VCC-IR

    U>=V_Hmin

    由以上三式计算得出，R<=(VCC- V_Hmin)/I

    其中，I0、I1、I2都是可以从datasheet查到的，I就可以求出来，V_Hmin也是可以查到的。

    当前极Vout输出低电平时，各管脚均为灌电流，则：

    I’= I₁’ + I₂’ +I₀’

    U’ =VCC-I’ R

    U’ <=V_Lmax

以上三式可以得出：R>=(VCC- V_Lmax)/I’

    由以上二式计算出R的上限值和下限值，从中取一个较靠近中间状态的值即可。注意，如果负载的个数大小不定的话，要按照最坏的情况计算，上限值要按负载最多的时候计算，下限值要按负载最少的计算。

    另一种选择方式是基于功耗的考虑。根据电路实际应用时，输出信号状态的频率或时间比选择。若信号Vout长期处于低电平，宜选择下拉电阻；若长期处于高电平，宜选择上拉电阻。为的是静态电流小。

    “设计永远是妥协与权衡的艺术”，至于最终选择那种方案，设计师的技术决策还是很重要的。电路设计的魅力也就在于此。