一個上拉電阻引發的思考（一）

我們在寫驅動過程中，經常看到有上拉電阻，有時候會聽硬體工程師說上拉不夠，或者說上拉太小了。以前我也沒仔細研究過它的作用，只是知道可以起到穩定電平，提高驅動能力的作用。一般用於OC（Open Colector極電集開路）門、OD門（Open drain,漏極開路，其中一個應用是i2c匯流排）或者輸出驅動能力不夠的電路中。最近我上網搜了一下相關的知識，查看了以前大學時的課件，發現以前的基礎真的很重要的啊。其實這些知識以前都學過的，但是為什麼感覺學得不深入，很快就忘記了呢。這其中又引起了我的一個思考，這就是，我們在學校學習，一般只是為了學習而去學習，而沒有具體的目的。比如說你想做一個項目，這些項目就需要某些知識。我們學完很多知識，但是並得不到應用，在不久後就會忘記了，這樣子學習是做不到深入的。正確的學習方法是理論->實踐->理論->實踐......不斷迴圈。現在我看回電路的一些理論知識，有一種恍然大悟的感覺，哦，原來是這樣子。

好了，不扯遠了。以下我講解一下OC門的上拉電阻原理和應用。電子類專業畢業的學生應該都覺得這些很簡單的了，但是電腦類的可能情況跟我一樣，就是似懂非懂。如果你是這種狀況，讀完這篇文章後你可能會有所領悟。本文其中可能也有許多錯漏的地方，請大家指正。

上圖就是一個OC門，它其實就是一個與非門。A、B為輸入端，F為輸出端。其中RL是不屬於OC門的，它是輸出的一個上拉電阻，接到Vcc上。只要恰當地選擇電源電壓和負載電阻，就可以保證輸出電平F的高、低要求，而又有效地防止輸出管（T5）電流過大。

對於OC門，我們可以理解得簡單一點。把OC門看作是一個黑盒子，當輸入端為低電平時，OC門截止（T5管截止，相當於集電極開路），F端輸出高電平，此時可看作只有Vcc，RL和外部負載相連。當輸入端為高電平時，OC門飽和，在輸出端會有固定的飽和電流（T5管集電極的飽和電流）流進OC門，F端輸出低電平。

當有m個OC門直接並聯，並帶有n個與非門作負載時，只要公用外接負載電阻RL選擇適當，就可以保證輸出高電平不低於規定的VOHmin值；又可以保證輸出低電平不高於規定的VOLmax。而且也不會在電源和地之間形成低阻通路。

集電極負載電阻RL的選擇：

輸出端F輸出高電平的情況。

若m個OC與非門的輸出都為高電平直接並聯，則線與結果為高電平，下面的如下圖所示。

此時必須滿足：

VCC-IRLRL≥VOHmin

VCC-(mIOH+pIIH)RL≥VOHmin

RL≤(VCC-VOHmin)/(mIOH+pIIH)

也就是RL的最大值是(VCC-VOHmin)/(mIOH+pIIH)，而一般來說,VCC，VOHmin，IOH，IIH，m,p都是固定的，VOHmin，IIH一般可以從負載的手冊上找出，VOHmin一般就是器件的低電平閥值，IIH一般就是器件的額定電流（注意上面把與非門作為負載只是一種舉例，而實際上負載有很多種）。我們在上面說過，當輸出高電平時，可以把OC門開作是開路，也就是IOH為0。上面公式可以簡化為：

RL≤(VCC-VOHmin)/pIIH

也就是說，RL的最大值為(VCC-VOHmin)/pIIH，如果再大的話，就不能產生負載所需要的高電平VOHmin了。

好，休息一下。現在我們已經知道怎麼算出上拉電阻的最大值了。如果有時候輸出端得不到要求的高電平，那麼就有可能是上拉電阻太大了（一般為1k~10k，而有的說是4.7k~10k，反正是大於1k吧）。

下面繼續算上拉電阻的最小值了。

上面是輸出端F為高電平的情況，現在看輸出端F為低電平的情況。

當OC門線與輸出為低電平時，從最不利情況考慮，設只有一個OC門處於導通狀態，而其它的OC門均截止（實際上可能只有一個OC門）。

我們上面提過，當OC門輸出低電平時，OC門是飽和的，也就是相當於集電極處直接對地（但仍有一個飽和電流IOL），此時上拉電阻電流IRL和負載電流IIS共同流向OC門，這時候電流IOL就是我們經常所說的灌電流（這裡一個題外話，就是接了上拉電阻後，即使輸出低電平也會消耗很小的電流）。

RL不能太小，應保證在所有的負載電流全部流入唯一導通的OC門時，線與輸出低電平仍能低於規定的VOLmax值，也就是要能產生負載要求的低電平。

VCC-IRLRL≤VOLmax

VCC-(IOL-nIIS)RL≤VOLmax

RL≥（VCC-VOLmax）/(IOL-nIIS)

也就是RL的最小值是（VCC-VOLmax）/(IOL-nIIS)，其中VCC，VOLmax，IOL，nIIS都是已知的，IOL大概就等於管子的飽和電流，IIS是負載的短路電流就樣就可以把RL的最小值算出來了。

也就是說，RL的最小值為（VCC-VOLmax）/(IOL-nIIS)，如果忽略掉負載的短路電流，如果RL的值更小，那麼就不能產生比負載要求的低電平更低的電平了。

綜上所述，（VCC-VOLmax）/(IOL-nIIS) ≤RL≤(VCC-VOHmin)/(mIOH+pIIH)，如果要粗略地計算，忽略掉IIS和IOH，那麼就是（VCC-VOLmax）/IOL≤RL≤(VCC-VOHmin)/pIIH。