上拉电阻和下拉电阻的定义、作用、应用案例及阻值选择-电子技术方案|电路图讲解
一、定义： 1、上拉就是将不确定的信号通过一个电阻嵌位在高电平！电阻同时起限流作用！下拉同理 2、上拉是对器件注入电流，下拉是输出电流 3、弱强只是上拉电阻的阻值不同，没有什么严格区分 4、对于非集电极（或漏极）开路输出型电路（如普通门电路）提升电流和电压的能力是有限的，上拉电阻的功能主要是为集电极开路输出型电路输出电流通道。
二、拉电阻作用： 1、一般作单键触发使用时，如果IC本身没有内接电阻，为了使单键维持在不被触发的状态或是触发后回到原状态，必须在IC外部另接一电阻。 2、数字电路有三种状态：高电平、低电平、和高阻状态，有些应用场合不希望出现高阻状态，可以通过上拉电阻或下拉电阻的方式使处于稳定状态，具体视设计要求而定！ 3、一般说的是I/O端口，有的可以设置，有的不可以设置，有的是内置，有的是需要外接，I/O端口的输出类似与一个三极管的C，当C接通过一个电阻和电源连接在一起的时候，该电阻成为上C拉电阻，也就是说，如果该端口正常时为高电平，C通过一个电阻和地连接在一起的时候，该电阻称为下拉电阻，使该端口平时为低电平，其作用主要是确保某端口常态时有确定电平：用法示例：当一个接有上拉电阻的端口设为输入状态时，他的常态就为高电平，用于检测低电平的输入。 4、上拉电阻是用来解决总线驱动能力不足时提供电流的。一般说法是拉电流，下拉电阻是用来吸收电流的，也就是我们通常所说的灌电流。 5、接电阻就是为了防止输入端悬空。 6、减弱外部电流对芯片产生的干扰。 7、保护cmos内的保护二极管，一般电流不大于10mA。 8、通过上拉或下拉来增加或减小驱动电流。 9、改变电平的电位，常用在TTL-CMOS匹配。 10、在引脚悬空时有确定的状态。 11、增加高电平输出时的驱动能力。 12、为OC门提供电流。
三、上拉电阻应用原则： 1、当TTL电路驱动COMS电路时，若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，以提高输出高电平值。注：此时上拉电阻连接的电压值应不低于CMOS电路的最低高电压，同时又要考虑TTL电路方电流（如某端口最大输入或输出电流）的影响。 2、OC门电路必须加上拉电阻，才能使用。 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。 8、在数字电路中不用的输入脚都要接固定电平，通过1k电阻接高电平或接地。
四、上拉电阻阻值选择原则:
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：
1、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、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。 在集成电路中，吸电流、拉电流输出和灌电流输出是一个很重要的概念。拉电流：拉即泄，主动输出电流，是从输出口输出电流。
关于电阻的参数不能一概而定，要看电路其他参数而定，比如通常用在输入脚上的上拉电阻如果是为了抬高峰峰值，就要参考该引脚的内阻来定电阻值的！ 1、一般LED的电流有几个mA就够了，最大不超过20mA，根据这个你就应该可以算出上拉电阻值来了。(5-0.7)/20mA=200ohm,差不多吧,保险起见考虑到功耗问题就用1~2k左右的电阻较为合适以上4图表示的是上拉电阻从220欧到5.1K欧的LED亮度变化，当然实际还是有出入的，我们实验室开发板10K的电阻依然把LED点的很亮~（当然根据我们的计算电阻最小不要小于200欧姆，否则电流太大） 2、对于驱动光耦合器，如果是高电位有效，即耦合器输入端接端口和地之间，那么和LED的情况是一样的；如果是低电位有效，即耦合器输入端接端口和VCC之间，那么除了要串接一个1~4.7k之间的电阻以外，同时上拉电阻的阻值就可以用的特别大，用100k~500K之间的都行，当然用10K的也可以，但是考虑到省电问题，没有必要用那么小的。
3、对于驱动晶体管，又分为PNP和NPN管两种情况： a、对于NPN：毫无疑问NPN管是高电平有效的，因此上拉电阻的阻值用2K~20K之间的。具体的大小还要看晶体管的集电极接的是什么负载，对于LED类负载，由于发管电流很小，因此上拉电阻的阻值可以用20k的，但是对于管子的集电极为继电器负载时，由于集电极电流大，因此上拉电阻的阻值最好不要大于4.7K，有时候甚至用2K的。 b、对于PNP管，毫无疑问PNP管是低电平有效的，因此上拉电阻的阻值用100K以上的就行了，且管子的基极必须串接一个1~10K的电阻，阻值的大小要看管子集电极的负载是什么，对于LED类负载，由于发光电流很小，因此基极串接的电阻的阻值可以用20k的，但是对于管子的集电极为继电器负载时，由于集电极电流大，因此基极电阻的阻值最好不要大于4.7K。
4、对于驱动TTL集成电路，上拉电阻的阻值要用1~10K之间的，有时候电阻太大的话是拉不起来的，因此用的阻值较小。但是对于CMOS集成电路，上拉电阻的阻值就可以用的很大，一般不小于20K，通常用100K的，实际上对于CMOS电路，上拉电阻的阻值用1M的也是可以的，但是要注意上拉电阻的阻值太大的时候，容易产生干扰，尤其是线路板的线条很长的时候，这种干扰更严重，这种情况下上拉电阻不宜过大，一般要小于100K，有时候甚至小于10K。 5、关于I2C的上拉电阻：因为I2C接口的输出端是漏极开路或集电极开路，所以必须在接口外接上拉。上拉电阻的取值和I2C总线的频率有关，工作在standard mode时，其典型值为10K。在FAST mode时，为减少时钟上升时间，满足上升时间的要求，一般为1K。电阻的大小对时序有一定影响，对信号的上升时间和下降时间也有影响。总之一般情况下电压在5V时选4.7K左右,3.3V在3.3K左右.这样可加大驱动能力和加速边沿的翻转 I2C上拉电阻确定有一个计算公式： Rmin＝{Vdd(min)-o.4V}/3mA Rmax=(T/0.874) *c, T=1us 100KHz, T=0.3us 400KHz C是Bus capacitance
五、下面通过场效应管的漏极开路门电路的例子简单说明一下上拉电阻：
TTL电平标准：
输出 L： <0.8V ； H：>2.4V。
输入 L： <1.2V ； H：>2.0V。
CMOS电平标准：
输出 L： <0.1*Vcc ； H：>0.9*Vcc。
输入 L： <0.3*Vcc ； H：>0.7*Vcc。
注：管子导通或截止可以理解为单片机的软件对端口置1或0.
（1）如果没有上拉电阻（10k），将5V电源直接与场效应管相连。
当管子导通时，管子等效一电阻，大小为1k左右，因此5v电压全部加在此等效电阻上，输出端Vout=5v。
当管子截止时，管子等效电阻很高，可以理解为无穷大，因此5v的电压也全部加在此等效电阻上，Vout=5v。在这两种情况下，输出都为高电平，没有低电平。
（2）如果有上拉电阻（10k），将5v电源通过此上拉电阻与与场效应管相连。
当管子导通时，管子等效一电阻，大小为1k左右，与上拉电阻串联，输出端电压为加在此等效电阻上的电压，其大小为Vout = 5v * 管子等效电阻/（上拉电阻+管子等效电阻）=5v * 1/（10+1）=低电平。
当管子截止时，管子等效电阻很高，可以理解为无穷大，其与上拉电阻串联，输出端电压为加在此等效电阻上的电压，其大小为Vout = 5v * 管子等效电阻/（上拉电阻+管子等效电阻）=5v*无穷大/（无穷大+1）=高电平。
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
六、灌电流 灌电流：灌即充，被动输入电流，是从输出端口流入吸电流： 吸则是主动吸入电流，是从输入端口流入吸电流和灌电流就是从芯片外电路通过引脚流入芯片内的电流，区别在于吸收电流是主动的，从芯片输入端流入的叫吸收电流。灌入电流是被动的，从输出端流入的叫灌入电流。拉电流是数字电路输出高电平给负载提供的输出电流，灌电流时输出低电平是外部给数字电路的输入电流，它们实际就是输入、输出电流能力。 吸收电流是对输入端（输入端吸入）而言的；而拉电流（输出端流出）和灌电流（输出端被灌入）是相对输出端而言的。
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电感简介： 电感（电感线圈）是用绝缘导线绕制而成的电磁感应元件，也是电子电路中常用的元器件之一。电感是用漆包线、纱包线或塑皮线等在绝缘骨架或磁心、铁心上绕制成的一组串联的同轴线匝，它在电路中用字母“L”表示，主要作用是对交流信号进行隔离、滤波或与电容器、电阻器等组成谐振电路。
电感器结构
1、骨架 骨架泛指绕制线圈的支架。一些体积较大的固定式电感器或可调式电感器（如振荡线圈、阻流圈等），大多数是将漆包线（或纱包线）环绕在骨架上，再将磁心或铜心、铁心等装入骨架的内腔，以提高其电感量。骨架通常是采用塑料、胶木、陶瓷制成，根据实际需要可以制成不同的形状。小型电感器（例如色码电感器）一般不使用骨架，而是直接将漆包线绕在磁心上。空心电感器（也称脱胎线圈或空心线圈，多用于高频电路中）不用磁心、骨架和屏蔽罩等，而是先在模具上绕好后再脱去模具，并将线圈各圈之间拉开一定距离。
2、绕组 绕组是指具有规定功能的一组线圈，它是电感器的基本组成部分。绕组有单层和多层之分。单层绕组又有密绕（绕制时导线一圈挨一圈）和间绕（绕制时每圈导线之间均隔一定的距离）两种形式；多层绕组有分层平绕、乱绕、蜂房式绕法等多种。 3、磁心与磁棒 磁心与磁棒一般采用镍锌铁氧体（NX系列）或锰锌铁氧体（MX系列）等材料，它有“工”字形、柱形、帽形、“E”形、罐形等多种形状。
4、铁心 铁心材料主要有硅钢片、坡莫合金等，其外形多为“E”型。
5、屏蔽罩 为避免有些电感器在工作时产生的磁场影响其它电路及元器件正常工作，就为其增加了金属屏幕罩（例如半导体收音机的振荡线圈等）。采用屏蔽罩的电感器，会增加线圈的损耗，使Q值降低。
6、封装材料 有些电感器（如色码电感器、色环电感器等）绕制好后，用封装材料将线圈和磁心等密封起来。封装材料采用塑料或环氧树脂等。 纯电感电路中电压与电流间的数量关系 由于电阻很小的线圈组成的交流电路，可以近似地看成是一个纯电感电路。 在直流电路中，影响电流跟电压关系的只有电阻。在交流电路中，情况要复杂一些，影响电流跟电压关系的，除了电阻，还有电感和电容。
电感对交流电的阻碍作用。为什么电感对交流电有阻碍作用呢？交流电通过电感线圈时，电流时刻在改变，电感线圈中必然产生自感电动势，阻碍电流的变化，这样就形成了对电流的阻碍作用。在电工技术中，变压器、电磁铁等的线圈，一般是用铜线绕的。铜的电阻率很小，在很多情况下，线圈的电阻比较小，可以略去不计，而认为线圈只有电感。只有电感的电路叫纯电感电路。 在纯电感电路中，电流强度跟电压成正比，即I∝U.用1/（XL）作为比例恒量，写成等式，就得到I=U/（XL）这就是纯电感电路中欧姆定律的表达式。把这个表达式跟I=U/R比，可以看出XL相当于电阻R。XL表示出电感对交流电阻碍作用的大小，叫做感抗，它的单位也是欧姆。 线圈的感抗XL跟自感系数L和交流电的频率f间有如下的关系： XL=2лfL 由于1亨=1伏·秒／安，1亨／秒=1伏／安=1欧，因此上式中的XL、f、L的单位应分别用欧姆、赫兹、亨利。
电阻是由导体本身的电阻率、长度和横截面积决定的，跟通过的电流无关。XL=2лfL说明，感抗却跟通过的电流的频率有关。例如，自感系数是1亨的线圈，对于直流电，f=0，XL=0；对于50赫的交流电，XL=314欧；对于500千赫的交流电，XL=3.14兆欧。所以电感线圈在电路中有“通直流、阻交流”或“通低频、阻高频”的特性。在电工和电子技术中，用来“通直流、阻交流”的电感线圈，叫低频扼流圈。线圈绕在闭合的铁心上，匝数为几千甚至超过一万，自感系数为几十亨。这种线圈对低频交流电就有很大的阻碍作用。用来“通低频、阻高频”的电感线圈，叫高频扼流圈。线圈有的绕在圆柱形的铁氧体心上，有的是空心的，匝数为几百，自感系数为几个毫亨。这种线圈对低频交流电的阻碍作用较小，对高频交流电的阻碍作用很大。
电感对交流电的阻碍作用。为什么电感对交流电有阻碍作用呢？交流电通过电感线圈时，电流时刻在改变，电感线圈中必然产生自感电动势，阻碍电流的变化，这样就形成了对电流的阻碍作用。在电工技术中，变压器、电磁铁等的线圈，一般是用铜线绕的。铜的电阻率很小，在很多情况下，线圈的电阻比较小，可以略去不计，而认为线圈只有电感。只有电感的电路叫纯电感电路。 在纯电感电路中，电流强度跟电压成正比，即I∝U.用1/（XL）作为比例恒量，写成等式，就得到I=U/（XL）这就是纯电感电路中欧姆定律的表达式。把这个表达式跟I=U/R比，可以看出XL相当于电阻R。XL表示出电感对交流电阻碍作用的大小，叫做感抗，它的单位也是欧姆。 线圈的感抗XL跟自感系数L和交流电的频率f间有如下的关系： XL=2лfL 由于1亨=1伏·秒／安，1亨／秒=1伏／安=1欧，因此上式中的XL、f、L的单位应分别用欧姆、赫兹、亨利。
电阻是由导体本身的电阻率、长度和横截面积决定的，跟通过的电流无关。XL=2лfL说明，感抗却跟通过的电流的频率有关。例如，自感系数是1亨的线圈，对于直流电，f=0，XL=0；对于50赫的交流电，XL=314欧；对于500千赫的交流电，XL=3.14兆欧。所以电感线圈在电路中有“通直流、阻交流”或“通低频、阻高频”的特性。在电工和电子技术中，用来“通直流、阻交流”的电感线圈，叫低频扼流圈。线圈绕在闭合的铁心上，匝数为几千甚至超过一万，自感系数为几十亨。这种线圈对低频交流电就有很大的阻碍作用。用来“通低频、阻高频”的电感线圈，叫高频扼流圈。线圈有的绕在圆柱形的铁氧体心上，有的是空心的，匝数为几百，自感系数为几个毫亨。这种线圈对低频交流电的阻碍作用较小，对高频交流电的阻碍作用很大。 交流电路中，纯电感电路的电压和电流的相位相差90°，所以在电阻、电感（即线圈，略掉了线圈直流电阻的影响））串联的电路中，其电抗Rx（即总的电阻）与电阻R。感抗RL（RL=2πfL）的关系是Rx=√（R^2+RL^2），则总电压V与电阻上的电压VR和电感上的电压VRL关系也满足这个关系，即V=√（VR^2+VRL^2）。 交流电路电感电流与电压相位的关系
电感电压比电流超前90°（或π/2），即电感电流比电压滞后90°，如何理解这句话呢，可以作以下解释 电感电路电压与电流的关系是通过磁通来联系起来的，u=NdΦ/dt，NΦ=Li，N是线圈匝数，L是线圈的电感，对固定线圈是一个常数，以上两个公式可推导出u=Ldi/dt，这个公式的意义就是变化的电流产生了电压，也可以说是变化的电压产生了电流，数量上的关系就是电压等于电流的变化率，就是斜率，电压的最高点电流为零，电流的最高点电压为零，就是那一时刻电流或电压的变化率为零，切线与X轴是平行，电流或电压没有变化，所以电压或电流就是零。 根据磁惯性的概念，“磁场惯性”导致电感上的电流滞后于电压：电感上的电流滞后于电压的物理意义，是电流通过线圈（电感）时要形成新的磁场，当新磁场建立的时候，老磁场的磁惯性会阻碍新磁场建立，即阻碍电流流过。所以当电压加上去以后，电流不能马上形成，需要电流通过一段时间来克服磁惯性，所以就产生了滞后现象。而滞后90度，则是因为电压在90度时开始翻转，即电压方向发生改变，就导致电流的改变滞后了90度。
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