MCU电路上拉电阻、下拉电阻的概念

我们会经常听到弱上拉、弱下拉，还有与之相对应的强上拉、强下拉。强、弱到底是什么概念？阻值多大算是强和弱？ 

要搞清楚这个问题，首先要先理解一下上拉电阻、下拉电阻的概念。假设有下面这么一个电路，MCU需要检测开关的通断。

当开关闭合时，MCU IO检测到0，但是当时开关开启时，IO引脚处于floating状态，容易受干扰而处于未知状态。

这时可以在IO口上加一个电阻到Vdd，这样开关断开时就能保证电平是固定的高电平1，这个电阻就叫做上拉电阻。

下拉电阻类似，它的作用是开关断开时，保证电平是固定的低电平0。

那么这个阻值该用多大呢?

首先阻值不能太小，因为太小，开关闭合时会产生较大的电流，会引起一来功耗大，二来也不安全。试想一下电阻为0是什么后果。

另外阻值也不能太大，阻值太大，上拉/下拉的作用就变弱，越大越接近于开路，开关断开时IO就越接近于浮空状态，就越容易受干扰。试想一下阻值无穷大是什么效果。

所以这个电阻既不太大，也不太小，一般是几K到几十K大小，兼顾了功耗和上下拉作用。

这里就引入了强弱的概念，弱就是阻值大，强就是阻值小。 

 

	上拉	下拉
弱	电阻大，电流小，上拉效果弱	电阻大，电流小，下拉效果弱
强	电阻小，电流大，上拉效果强	电阻小，电流大，下拉效果强

 

注意这只是个相对概念。

MCU一般内部也带上下拉电阻，可以配置是否开启，以STM32F103为例，从下图可以看出 内部有上下来on/off开关。

手册上写的是弱上拉/下拉，阻值大小典型值为40kΩ

补充说明，上面介绍的上下拉电阻是对MCU IO输入来说的，输出也可能会用到，比如对于开漏输出的IO，就必须加上上拉电阻，否则输出不了高电平。原因是开漏输出结构如下，漏极是开路的

它只有一个NMOS，当控制输出0时，NMOS导通，Output Pin输出0，但是当控制输出1时，NMOS截止，输出的是高阻态。要能输出1，必须外面接一个上拉电阻。

这种结构的好处可以用在电平不匹配的场合，可以灵活的输出1.8V/3.3V/5V等高电平，只要把Vdd接到不同的电压上即可。另外它还具有”线与”的特性，即多个开漏引脚连接在一起，只有当每个都输出1时它才能输出高电平，只要有一个输出0，所有的引脚电压都被拉低。常见的IIC总线就是用这种结构

这个上拉电阻的阻值选取也是有讲究的，也是既不能太小，也不能太大。因为太小的话，IO口上就会承受较大的输入电流，而IO的输入电流是有限制的。太大的话，会影响IIC的通信速度，因为总线上还有负载电容，电阻太大，电容充放电时间就会久，影响上升沿、下降沿时间。关于这个具体计算，可以参考TI的一篇文档：https://www.ti.com/lit/ml/slva689/slva689.pdf?ts=1679814584051

该文档详细描述了计算方法：

审核编辑：黄飞