三极管的上拉下拉电阻的选取

布满荆棘的人生 2023-06-20 06:52 15阅读 0赞

输出端的接电源或接地的电阻叫上拉、下拉电阻，而基极电阻不叫这个名称，应该叫基极偏置电路分压电阻。  
　根据基极所需的偏置电压以及电源电压大小，用电阻分压公式计算Ub=Vcc\*R2/（R1+R2），电阻值的大小应该在kΩ~十kΩ数量级，保证电阻上的电流比基极电流大一个数量级。  
　例如基极偏压需要2V，电源电压6V，取下偏置电阻10kΩ，可以算出上偏置电阻为20kΩ。

为了简便叙述，以下统一为上下拉电阻

简单概括为：电源到器件引脚上的电阻叫上拉电阻，作用是平时使该引脚为高电平，地到器件引脚上的电阻叫下拉电阻，作用是平时使该引脚为低电平。低电平在IC内部与GND相连接；高电平在IC内部与超大电阻相连接。上拉就是将不确定的信号通过一个电阻钳位在高电平，电阻同时起限流作用，下拉同理。对于非集电极（或漏极）开路输出型电路（如普通门电路，其提升电流和电压的能力是有限的，上拉和下拉电阻的主要功能是为集电极开路输出型电路提供输出电流通道。

上拉是对器件注入电流，下拉是输出电流；强弱只是上拉或下拉电阻的阻值不同，没有什么严格区分。当IC的I/O端口，节点为高电平时，节点处和GND之间的阻抗很大，可以理解为无穷大，这个时候通过上拉电阻（如4.7K欧，10K欧电阻）接到VCC上，上拉电阻的分压几乎可以忽略不计；

当I/O端口节点需要为低电平时，直接接GND就可以了，这个时候VCC与GND是通过刚才的上拉电阻（如4.7K欧，10K欧电阻）连接的，通过的电流很小，可以忽略不计。

如果单纯的想要使这个节点成为高电平，并且输出阻抗非常大，则直接接电源也无妨，但是如果单片机要使这个节点拉低，即单片机内部使节点接地，这样5V电源和地之间就短路了。

另外，当要求这个节点为高电平时，这个节点和地之间的阻抗一般非常大，如100K欧的阻抗，当上拉一个10K欧的电阻，这个点分得的电压为100K欧/（100K 10K）\*5V=4.5V，这样也可以拉到高电平。

而当要求这个节点为低电平时，只要把它和地连接就可以了，电源和地之间有一个10K偶的电阻，这样就不会短路了。

当低电平时，电源和地之间有一个负载形成的回路，有时候这个节点会再串接一个电阻，因为电流流向阻抗低的地方，所以电流会通过与电源相连的电阻流向地，而不是流向这个与节点相连的电阻，因为这个节点连接的电阻阻抗高，所以低电平时这个点的电势就是低电平。

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可以这么认为，对于IC的I/O端口来说，IC内部通过控制高低电平相当于控制这个O/O口与其内部的GND或非常大的电阻相连，如100K欧，当I/O口为低电平0V时，在IC内部，是控制IC芯片O/O口的引脚在芯片内与GND连接。

当I/O口为高电平时，如5V，这个时候I/O口引脚在芯片内是与非常大的电阻，如100K欧相连接的，有时在I/O节点处会再串接一个小电阻值的电阻，如68欧，因为电流流向阻抗低的地方，所以当芯片内部的I/O端口欧与GND相连为低电平时，电源与上拉电阻及芯片内部的GND形成环路进行流通。

这时I/O口节点处的电流就会流向芯片内部的GND，因为节点处串接了一个小阻值的电阻，相对于GND来说是高阻，就是大一点点也是高阻，所以电流就不会流过这个串联的电阻。

当用下拉电阻时（所谓的上拉和下拉都是针对高阻态而言的），当I/O口为高阻态时，通过上拉电阻能够让其保持在高电平状态；

具体如上文所述：当I/O端口为高阻态时，用下拉电阻把这个口与GND相连接，高阻态电阻值很大，可以理解为断开，其实就是和芯片内部的阻值很大的电阻相连接，下拉的时候拉到地上了，没有电流，电平值为0，除非是给这个引脚赋予一个高电平值它才能够起作用。

上拉和下拉电阻的作用概括如下：

1、提高电压准位当TTL电路驱动CMOS电路时，如果TTL电路输出的高电平低于CMOS电路的最低高电平，这时就需要在TTL的输出端接上拉电阻，以提高输出高电平的值；OC门电路必须加上拉电阻，以提高输出的高电平值。2、加大输出引脚的驱动能力有的单片机引脚上也常使用上拉电阻。3、N/A引脚（没有连接的引脚）防静电、防干扰；在CMOS芯片上，为了防止静电造成损坏，不用的引脚不能悬空，一般接上拉电阻降低输入阻抗，提供泄荷通路。同时引脚悬空就比较容易接收外界的电磁干扰。4、电阻匹配抑制反射波干扰，长线传输中电阻不匹配容易引起反射波干扰，加上下拉电阻使电阻匹配，能有效的抑制反射波干扰。5、预设空间状态/默认电位在一些CMOS输入端接上拉或下拉电阻是为了预设默认电位。当不用这些引脚时，这些输入端下拉接低电平或上拉接高电平。在I2C等总线上空闲时的状态是由上下拉电阻获得的。6、提高芯片输入信号的噪声容限输入端如果是高阻状态，或高阻抗输入端处于悬空状态，此时需要加上拉或下拉电阻，以免受到随机电平的影响，进而影响电路工作。同样，如果输出端处于被动状态，需要加上拉或下拉电阻，如输出端仅仅是一个三极管的集电极，从而提高芯片输入信号的噪声容限，增强抗干扰能力。在BJT晶体三极管的基极端，上拉电阻和下拉电阻也起着至关重要的作用。在三极管的电路应用中，串接在基极上的电阻起限制基级电流的作用，如下图中的R2所示，

如下图中的R5所示，上拉电阻使三极管基极的输入电平在默认情况下是高电平输入，当CPU有低电平信号输出时，外围电路响应，下拉电阻使晶体管的基极输入在默认情况下拉到低电平，如下图中的R6所示。

**上拉下拉电阻选取**

1、当TTL电路驱动COMS电路时，如果TTL电路输出的高电平低于COMS电路的最低高电平（一般为3.5V），这时就需要在TTL的输出端接上拉电阻，以提高输出高电平的值。

2、OC门电路必须加上拉电阻，才能使用。像比较器这类型，必须要都是要OC输出，就要加上拉电阻。

3、为加大输出引脚的驱动能力，有的单片机管脚上也常使用上拉电阻。

4、在COMS芯片上，为了防止静电造成损坏，不用的管脚不能悬空，一般接上拉电阻产生降低输入阻抗，提供泄荷通路。

5、芯片的管脚加上拉电阻来提高输出电平，从而提高芯片输入信号的噪声容限增强抗干扰能力。

6、提高总线的抗电磁干扰能力。管脚悬空就比较容易接受外界的电磁干扰。

7、长线传输中电阻不匹配容易引起反射波干扰，加上下拉电阻是电阻匹配，有效的抑制反射波干扰。

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上拉电阻阻值的选择原则包括:

1、从节约功耗及芯片的灌电流能力考虑应当足够大；电阻大，电流小。

2、从确保足够的驱动电流考虑应当足够小；电阻小，电流大。

3、对于高速电路，过大的上拉电阻可能边沿变平缓。综合考虑

以上三点,通常在1k到10k之间选取。对下拉电阻也有类似道理

对上拉电阻和下拉电阻的选择应结合开关管特性和下级电路的输入特性进行设定，主要需要考虑以下几个因素：

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    1． MOS管和三极管驱动能力与功耗的平衡。以上拉电阻为例，一般地说，上拉电阻越小，驱动能力越强，但功耗越大，设计是应注意两者之间的均衡。

2．MOS管和三极管下级电路的驱动需求。同样以上拉电阻为例，当输出高电平时，开关管断开，上拉电阻应适当选择以能够向下级电路提供足够的电流。

3． 高低电平的设定。不同电路的高低电平的门槛电平会有不同，电阻应适当设定以确保能输出正确的电平。以上拉电阻为例，当输出低电平时，开关管导通，上拉电阻和开关管导通电阻分压值应确保在零电平门槛之下。

4． 频率特性。以上拉电阻为例，上拉电阻和开关管漏源级之间的电容和下级电路之间的输入电容会形成RC延迟，电阻越大，延迟越大。上拉电阻的设定应考虑电路在这方面的需求。

下拉电阻的设定的原则和上拉电阻是一样的。

OC门输出高电平时是一个高阻态，其上拉电流要由上拉电阻来提供，设输入端每端口不大于100uA,设输出口驱动电流约500uA，标准工作电压是5V，输入口的高低电平门限为0.8V(低于此值为低电平)；2V(高电平门限值)。

选上拉电阻时：

500uA x 8.4K= 4.2即选大于8.4K时输出端能下拉至0.8V以下，此为最小阻值，再小就拉不下来了。如果输出口驱动电流较大，则阻值可减小，保证下拉时能低于0.8V即可。

当输出高电平时，忽略管子的漏电流，两输入口需200uA

200uA x15K=3V即上拉电阻压降为3V，输出口可达到2V，此阻值为最大阻值，再大就拉不到2V了。选10K可用。

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设计时管子的漏电流不可忽略，IO口实际电流在不同电平下也是不同的，上述仅仅是原理，一句话概括为：输出高电平时要喂饱后面的输入口，输出低电平不要把输出口喂撑了（否则多余的电流喂给了级联的输入口，高于低电平门限值就不可靠了）

总结：，上拉在1k到10k之间选取。 MOS管下拉一般选择10K~20K，三极管下拉用1K~2K！

另外：

1)防止三极管受噪声信号的影响而产生误动作，使晶体管截止更可靠!三极管的基极不能出现悬空，当输入信号不确定时(如输入信号为高阻态时)，加下拉电阻，就能使有效接地。

特别是GPIO连接此基极的时候，一般在GPIO所在IC刚刚上电初始化的时候，此GPIO的内部也处于一种上电状态，很不稳定，容易产生噪声，引起误动作!加此电阻，可消除此影响(如果出现一尖脉冲电平，由于时间比较短，所以这个电压很容易被电阻拉低;如果高电平的时间比较长，那就不能拉低了，也就是正常高电平时没有影响)!但是电阻不能过小，影响泄漏电流!(过小则会有较大的电流由电阻流入地)

2)当三极管开关作用时,ON和OFF时间越短越好,为了防止在OFF时,因晶体管中的残留电荷引起的时间滞后,在B,E之间加一个R起到放电作用。高频，深饱和时特别要注意。(次要)

3 )三极管基级加电阻主要是为了设置一个偏置电压，这样就不会出现信号的失真(这在输入信号有交流时极其重要：如当温度上升时，Ic将增大，导致Ie也会增大，那么在Re上的压降也增大，而Vbe=Vb-IeRe，而Vb此时基本上被下拉电阻保持住，所以使Vbe减小。当然这个减小对0.7v来说是很小的，是从微观上去分析的。Vbe的减小，使Ib减小，结果牵制了Ic的增加，从而使Ic基本恒定。这也是反馈控制的原理)。

而且同时还是为了防止输入电流过大，加个电阻可以分一部分电流，这样就不会让大电流直接流入三极管而损坏其.至于为了放电，一般是在MOS管中才用，三极管这个问题不大

4)如果三极管不接下拉电阻，就不能设定偏置电压，这样会产生输入信号的交越失真，并且输入电流过大的时候会导致大电流直接流入三极管而导致损坏。

接下拉电阻不宜过大，不然会影响流入基极的电流过小

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