Резисторы подтяжки и опускания: обеспечение определенного состояния сигнала.

Введение

Электрический компонент для обеспечения известного состояния сигнала. В электронных логических схемах подтягивающий резистор (PU) или понижающий резистор (PD) — это резистор, используемый для обеспечения известного состояния сигнала. Он обычно используется в сочетании с такими компонентами, как переключатели и транзисторы, которые физически разрывают соединение последующих компонентов с землей или с VCC. Замыкание переключателя создает прямое соединение с землей или VCC, но когда переключатель разомкнут, остальная часть цепи остается в неопределенном состоянии (то есть имеет неопределенное напряжение). Для переключателя, используемого для подключения цепи к VCC (например, если переключатель или кнопка используются для передачи сигнала "высокий"), понижающий резистор, соединенный между цепью и землей, обеспечивает четко определенное напряжение земли (то есть логический ноль) в остальной части цепи, когда переключатель разомкнут. Для переключателя, используемого для подключения цепи к земле, подтягивающий резистор (соединенный между цепью и VCC) обеспечивает четко определенное напряжение (то есть VCC или логическая единица) при разомкнутом переключателе. Разомкнутый переключатель не эквивалентен компоненту с бесконечным импедансом, поскольку в первом случае стационарное напряжение в любом контуре, в котором он участвует, больше не может быть определено законами Кирхгофа. Следовательно, напряжения на этих критических компонентах (таких как логический элемент на примере справа), которые находятся только в контурах, включающих разомкнутый переключатель, также не определены. Подтягивающий резистор эффективно создает дополнительный контур через критические компоненты, обеспечивая четкое определение напряжения даже при разомкнутом переключателе. Чтобы подтягивающий резистор выполнял только эту функцию и не влиял на работу схемы иным образом, необходимо использовать резистор с соответствующим сопротивлением. Для этого предполагается, что критические компоненты имеют бесконечное или достаточно высокое сопротивление, что гарантируется, например, для логических элементов на основе полевых транзисторов (FET). В этом случае, когда переключатель разомкнут, напряжение на подтягивающем резисторе (с достаточно низким сопротивлением) практически равно нулю, и схема выглядит как провод, подключенный к VCC. С другой стороны, когда переключатель замкнут, подтягивающий резистор должен иметь достаточно высокое сопротивление по сравнению с замкнутым переключателем, чтобы не влиять на соединение с землей. Вместе эти два условия позволяют определить подходящее значение сопротивления подтягивающего резистора, но обычно выводится только нижняя граница, исходя из предположения, что критические компоненты действительно имеют бесконечное сопротивление. Резистор с низким сопротивлением (относительно схемы, в которой он используется) часто называют "сильным" подтягивающим или понижающим; когда цепь разомкнута, он быстро устанавливает выход в высокое или низкое состояние (как изменение напряжения в RC-цепи), но потребляет больший ток. Резистор с относительно высоким сопротивлением называется "слабым" подтягивающим или понижающим; когда схема разомкнута, он медленнее устанавливает выход в высокое или низкое состояние, но потребляет меньше тока. Следует помнить, что этот ток, по сути, является потерянной энергией, и он течет только при замкнутом переключателе и, технически, в течение короткого периода после его размыкания, пока заряд, накопленный в цепи, не будет разряжен на землю.

Electrical component to ensure a known state for a signal

In electronic logic circuits, a pull up resistor (PU) or pull down resistor (PD) is a resistor used to ensure a known state for a signal. It is typically used in combination with components such as switches and transistors, which physically interrupt the connection of subsequent components to ground or to VCC. Closing the switch creates a direct connection to ground or VCC, but when the switch is open, the rest of the circuit would be left floating (i. e., it would have an indeterminate voltage). For a switch that is used to connect a circuit to VCC (e. g., if the switch or button is used to transmit a "high" signal), a pull down resistor connected between the circuit and ground ensures a well defined ground voltage (i. e. logical low) across the remainder of the circuit when the switch is open. For a switch that is used to connect a circuit to ground, a pull up resistor (connected between the circuit and VCC) ensures a well defined voltage (i. e. VCC, or logical high) when the switch is open. An open switch is not equivalent to a component with infinite impedance, since in the former case, the stationary voltage in any loop in which it is involved can no longer be determined by Kirchhoff's laws. Consequently, the voltages across those critical components (such as the logic gate in the example on the right), which are only in loops involving the open switch, are undefined, too. A pull up resistor effectively establishes an additional loop over the critical components, ensuring that the voltage is well defined even when the switch is open. For a pull up resistor to serve only this one purpose and not interfere with the circuit otherwise, a resistor with an appropriate amount of resistance must be used. For this, it is assumed that the critical components have infinite or sufficiently high impedance, which is guaranteed for example for logic gates made from FETs. In this case, when the switch is open, the voltage across a pull up resistor (with sufficiently low impedance) practically vanishes, and the circuit looks like a wire connected to VCC. On the other hand, when the switch is closed, the pull up resistor must have sufficiently high impedance in comparison to the closed switch to not affect the connection to ground. Together, these two conditions can be used to derive an appropriate value for the impedance of the pull up resistor but usually, only a lower bound is derived assuming that the critical components do indeed have infinite impedance. A resistor with low resistance (relative to the circuit it's in) is often called a "strong" pull up or pull down; when the circuit is open, it will pull the output high or low very quickly (just as the voltage changes in an RC circuit), but will draw more current. A resistor with relatively high resistance is called a "weak" pull up or pull down; when the circuit is open, it will pull the output high or low more slowly, but will draw less current. Keep in mind that this current, which is essentially wasted energy, only flows when the switch is closed, and technically for a brief period after it is opened until the charge built up in circuit has been discharged to ground.

Приложения

При соединении логических элементов со входами может использоваться подтягивающий резистор. Например, входной сигнал может быть подтянут резистором, а затем переключатель или перемычка могут быть использованы для подключения этого входа к земле. Это может применяться для информации о конфигурации, выбора опций или диагностики устройства. Подтягивающие резисторы могут использоваться и на логических выходах, когда логический элемент не может выдавать ток, например, в логических элементах с открытым коллектором. Такие выходы применяются для управления внешними устройствами, реализации логической функции ИЛИ по проводной схеме или для простого способа управления логической шиной с несколькими подключенными к ней устройствами. Подтягивающие резисторы могут быть дискретными компонентами, установленными на той же печатной плате, что и логические элементы. Многие микроконтроллеры, предназначенные для встраиваемых систем управления, имеют встроенные, программируемые подтягивающие резисторы для логических входов, что снижает количество необходимых внешних компонентов. К недостаткам подтягивающих резисторов относятся дополнительное энергопотребление при протекании тока через резистор и снижение скорости подтяжки по сравнению с активным источником тока. Некоторые логические семейства чувствительны к импульсам напряжения питания, поступающим на логические входы через подтягивающие резисторы, что может потребовать использования отдельного, фильтрованного источника питания для подтяжки. Стягивающие резисторы можно безопасно использовать с логическими элементами CMOS, поскольку их входы управляются напряжением. Неподключенные входы логики TTL склонны к "плаванию" в высоком состоянии и требуют резистора с гораздо меньшим сопротивлением для принудительного перевода входа в низкое состояние. Стандартный вход TTL в логическом состоянии "1" обычно работает при токе источника 40 мкА и напряжении выше 2,4 В, что допускает использование подтягивающего резистора сопротивлением не более 50 кОм; в то время как вход TTL в логическом состоянии "0" должен поглощать 1,6 мА при напряжении ниже 0,8 В, что требует использования стягивающего резистора сопротивлением менее 500 Ом. Поддержание неиспользуемых входов TTL в низком состоянии потребляет больше тока. Поэтому в схемах TTL предпочтительнее использовать подтягивающие резисторы. В биполярных логических семействах, работающих от 5 В постоянного тока, типичное значение подтягивающего резистора составляет 1000–5000 Ом, исходя из необходимости обеспечения требуемого тока логического уровня во всем рабочем диапазоне температур и напряжения питания. Для логики CMOS и MOS можно использовать гораздо более высокие значения сопротивления, от нескольких тысяч до миллиона Ом, поскольку требуемый ток утечки на логическом входе мал.

A pull up resistor may be used when interfacing logic gates to inputs. For example, an input signal may be pulled by a resistor, then a switch or jumper strap can be used to connect that input to ground. This can be used for configuration information, to select options or for troubleshooting of a device. Pull up resistors may be used at logic outputs where the logic device cannot source current such as open collector TTL logic devices. Such outputs are used for driving external devices, for a wired OR function in combinational logic, or for a simple way of driving a logic bus with multiple devices connected to it. Pull up resistors may be discrete devices mounted on the same circuit board as the logic devices. Many microcontrollers intended for embedded control applications have internal, programmable pull up resistors for logic inputs so that not many external components are needed. Some disadvantages of pull up resistors are the extra power consumed when current is drawn through the resistor and the reduced speed of a pull up compared to an active current source. Certain logic families are susceptible to power supply transients introduced into logic inputs through pull up resistors, which may force the use of a separate filtered power source for the pull ups. Pull down resistors can be safely used with CMOS logic gates because the inputs are voltage controlled. TTL logic inputs that are left un connected inherently float high, and require a much lower valued pull down resistor to force the input low. A standard TTL input at logic "1" is normally operated assuming a source current of 40 μA, and a voltage level above 2.4 V, allowing a pull up resistor of no more than 50 kohms; whereas the TTL input at logic "0" will be expected to sink 1.6 mA at a voltage below 0.8 V, requiring a pull down resistor less than 500 ohms. Holding unused TTL inputs low consumes more current. For that reason, pull up resistors are preferred in TTL circuits. In bipolar logic families operating at 5 VDC, a typical pull up resistor value will be 1000–5000 Ω, based on the requirement to provide the required logic level current over the full operating range of temperature and supply voltage. For CMOS and MOS logic, much higher values of resistor can be used, several thousand to a million ohms, since the required leakage current at a logic input is small.