上拉电阻与下拉电阻的作用及GPIO框图分析

文章目录

在嵌入式领域 上下拉电阻应用非常广泛。近期项目有用到，这里总结一下相关使用。

一、相关概念介绍

IO引脚的三态输出之高阻态—将逻辑门与系统其他部分隔离，电平外部控制

三态门/三态输出电路 三种状态为：高电平，低电平，高阻态；
计算机中的记忆元件由触发器组成，而触发器只有01两个状态。如果要在一条信号线上连接多个触发器，而每个触发器可以根据需要与信号线连通或断开，当连通时可以传送0或1，断开时对信号线上的信息不产生影响，此状态为高阻态。
高阻态从端口看进去，对GND或者VCC的电阻都很大，什么也不输出了，引脚上的电平可由其它电路来控制，外面任何弱驱动都能改变该点的电位。
使用场景举例：当一个总线上 一个主设备和一个从设备通信的时候，其他设备都处于高阻态，不影响正在通信设备。

三态原理举例：已下图三态输出缓冲器：IN为输入，OUT为输出，E是使能。当E=H，IN=H，下面Nmos关闭，上面Pmos导通，Out=H。当输入E=H，IN=L，下面Nmos打开，上面Pmos关闭,Out=L。当E=L，两个mos都关闭，输出为高阻Out=Z。

IO引脚输出模型 推挽电路 与 开漏电路—单独开漏无高电平驱动能力

首先讲IO输出的电流描述，输入端有电流流进称为吸电流（被动）；输出端有电流流出称为拉电流（主动）；输出端有电流流入称为灌电流（被动）。灌电流能力与拉电流能力也称为芯片引脚的驱动能力，对于任何给定的芯片，引脚的驱动能力都是有限的。下面介绍两种输出模型：
1）推挽输出（Push-Pull Output）：由两个MOS或者三极管受到互补控制信号的控制，两个管子始终处在一个导通另一个截止的状态。推挽输出既可以输出低电平（只下方Mos导通），也可以输出高电平（只上方Mos导通）。推挽输出可以吸电流也可以灌电流，相对于开漏输出电平取决于IC电源是固定的，一条总线上输出期间只能有一个推挽。

2）开漏输出（open drain）：开漏OD门是针对MOS管来说，针对三极管来说叫开集OC门。单独的开漏输出只能输出低电平（导通Mos），不导通时为高阻态。高电平需要上拉电阻才能输出，通过控制连接VCC大小设置电平，因此在需要进行指定高电平时适合使用开漏输出（推挽固定IC电源）。开漏还能实现”线与“逻辑(I2C等接口总线应用中)，利用外电路提高驱动能力，利用上拉电阻提供高电平，没有上拉电阻只能输出低电平。

二、上下拉电阻原理介绍

什么是上下拉电阻？—把IO口用电阻拉到正压VCC（上拉） 或 接地GND（下拉）

上拉/下拉电阻设计时一般不能影响正常的信号电平，常见上拉/下拉电阻阻值是1k、4k7或10k。典型上拉电阻如10K左右，太大了抗干扰能力弱，太小了，会导致电流过大。

使用场景一：将不确定信号钳位高电平（上拉） 或 低电平（下拉）

单片机刚上电的时候电平是不定的，初始状态基本默认都为输入，切换到输出引脚有一个过程。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（作为输入读取到的状态一直在变化）进而影响电路工作。同时悬空就比较容易接收外界的电磁干扰，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。

使用场景二：开漏输出加上拉电阻实现 线与逻辑，如I2C总线用法

I2C总线协议在两条通信线上使用了上拉电阻。当设备处于非激活状态，它们“释放”掉通信线并使它们的输出端呈现高阻态，这样使它们的高低电平不影响其他电路。当总线上所有的设备都“释放”掉通信线时，对输出目标电路的唯一影响就是上拉电阻将输出端的电平拉高。当一个设备需要通信时，这个输出端脱离高阻态，并使得通信线的输出端电平降低。

使用场景三：开漏输出加上拉电阻 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；

使用场景四：加大引脚驱动能力，上拉加强拉电流能力，下拉加强吸电流能力

单片机输出高电平驱动力有限，由于后续电路的影响是达不到VCC，可通过上拉电阻可以提高拉电流驱动能力。下拉电阻情况类似，让单片机引脚输出低电平，结果由于后续电路影响输出的低电平达不到GND，所以接个下拉电阻。

三、GPIO典型框图分析

下面我们总结一下典型的芯片GPIO模型 及其各部分功能：

1、I/O 端口作为输入—读取01状态、上下电阻拉可配

输出缓冲器被关闭、施密特触发器输入被打开、根据xx寄存器中的值决定是否打开上拉和下拉电阻
输入数据寄存器每隔 1 个 AHB1 时钟周期对 I/O 引脚上的数据进行一次采样、对输入数据寄存器的读访问可获取 I/O 状态

2、I/O 端口作为输出—可选开漏/推挽、上下电阻拉可配、可读取输入

输出缓冲器被打开、对输出数据寄存器的读访问可获取最后的写入值：
— 开漏模式：输出寄存器中的“0”可激活 N-MOS，而输出寄存器中的“1”会使端口保持高组态 (Hi-Z)（P-MOS 始终不激活）。
— 推挽模式：输出寄存器中的“0”可激活 N-MOS，而输出寄存器中的“1”可激活P-MOS。
施密特触发器输入被打开、根据xx寄存器中的值决定是否打开弱上拉电阻和下拉电阻
输入数据寄存器每隔 1 个 AHB1 时钟周期对 I/O 引脚上的数据进行一次采样、对输入数据寄存器的读访问可获取 I/O 状态

3、I/O 端口作为复用功能—可配置输入输出、上下拉电阻可配、可读取输入

可将输出缓冲器配置为开漏或推挽、输出缓冲器由来自外设的信号驱动（发送器使能和数据）
施密特触发器输入被打开、根据xx寄存器中的值决定是否打开弱上拉电阻和下拉电阻
输入数据寄存器每隔 1 个 AHB1 时钟周期对 I/O 引脚上的数据进行一次采样、对输入数据寄存器的读访问可获取 I/O 状态

4、I/O 端口作为模拟配置—输入输出不可配、上下拉不可配

输出缓冲器被禁止、施密特触发器输入停用，I/O 引脚的每个模拟输入的功耗变为零。施密特触发器的输出被强制处理为恒定值 (0)。
弱上拉和下拉电阻被关闭、对输入数据寄存器的读访问值为“0”。

参考

什么是数字芯片的高阻态：https://www.bilibili.com/video/BV1UG41187YV/
上拉电阻的通俗解释，你真正知道吗？：https://www.bilibili.com/video/BV1W34y1579U/
下拉电阻的通俗解释，你真正知道吗？：https://www.bilibili.com/video/BV1ZU4y1Q7eo/