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电子电路学习笔记(6)——电阻的作用

根据电子系统的三个要素:源、电路、电阻;这三者都必须存在才能传输电信号。如果没有电阻,电路的电流将是无限的(电流等于电压除了电阻,如果电阻接近0,电流接近无限的大),很容易烧毁电路上的部件。所以,如果你发现电路上没有电阻,一定有问题。

一、分压

,它具有以下特点:

  1. 各电阻的电流是相同的电流,即各电阻中的电流是相等的: I = I 1 = I 2 = I 3 I = I_{1} = I_{2} = I_{3} I=I1=I2=I3
  2. 在串联电路中,电阻大的导体两端电压大,电压分布与导体电阻成正比。因此,导体串联具有分压作用。总电压等于各电阻上的电压降之和: V = V 1 V 2 V 3 V= V_{1} V_{2} V_{3} V=V1/span>​+V2​+V3​
  3. 总电阻等于各电阻之和: R = R 1 + R 2 + R 3 R=R_{1}+R_{2}+R_{3} R=R1​+R2​+R3​

比较经典的举例就是DC/DC或者LDO电路。比如MP2315数据手册中推荐的电路如下图所示:

(科普:在电源芯片输出管脚上一般选择分压电阻的精度很高,电阻的精度直接决定了输出电压的精度,如5%的电阻输出电压波动范围为10%,1%精度的电阻输出电压波动范围达到2%,因此选择精度高的;这个可以计算一下大致差不多的误差。)这个参考电压与输出的关系在DC/DC或者LDO章节再详细讨论。

**在这张图中还有一个分压电阻应用就是R6和R7的应用。**图中R7是空贴的,对于EN管脚,以前不理解为什么标注是空贴,非常需要注意一下,因为我在这个地方吃过亏。因为EN必须大于1.6V,在电路移植的时候,一定要注意输入电压分压之后与EN阈值的关系以便及时调整R7电阻,切记!!!

电阻分压在芯片管脚做逻辑阈值或者上下电时应用还是比较多的。其他例子也类似,关键点在于一定要搞清管脚的阈值(门限电压范围),这种错误属于低级错误,在设计时一定要多确认几遍。

二、限流/分流

电阻器的并联电路,它有以下几点特点:

  1. 各支路的电压等于总电压;
  2. 总电流等于各支路电流之和: I = I 1 + I 2 + I 3 I = I_{1} + I_{2} + I_{3} I=I1​+I2​+I3​
  3. 总电阻的倒数等于各支路倒数之和: 1 R = 1 R 1 + 1 R 2 + 1 R 3 \frac{1}{R}=\frac{1}{R_{1}}+\frac{1}{R_{2}}+\frac{1}{R_{3}} R1​=R1​1​+R2​1​+R3​1​

左图的原理比较简单就不说了。右图中R1称为分流电阻,电流中的一部分流过电阻R1,三极管流过的电流有所减少,而输出端的总电流并没有减小,R1起到保护三极管的作用。

限流的目的应用最广泛的就是保护器件的工作安全。

三、上下拉

一般说法是上拉增大电流,下拉电阻是用来吸收电流。

将一个不确定的信号(高或低电平),通过一个电阻与电源VCC相连,固定在高电平。

将一个不确定的信号(高或低电平),通过一个电阻与地GND相连,固定在低电平。

3.1 上拉电阻使用场景

3.1.1 TTL驱动CMOS

当 TTL 电路驱动 COMS 电路时,如果 TTL 电路输出的高电平(一般为 2.4V)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,以提高输出高电平的值(提高到 5V),使 CMOS 有效识别。

电阻R越小,上拉能力越大,但是会增大TTL端的饱和压降,导致TTL输出的低电平很高; 电阻R太大,会延缓TTL输出的上升沿。

3.1.2 OC和OD门

采用 OC 和 OD 门结构的,都需要添加上拉电阻,下图 I2C 是 OD 结构,SDA 和 SCL 信号上都需要加上拉电阻,不加上拉电阻,OC 和 OD 是无法输出高电平的。

3.1.3 低电平中断检测

对于低电平中断触发电路来说,一般在 MCU 的检测端会加一个上拉电阻,当 INT 低电平到来时,MCU_INT_DET 会变为低电平,触发中断。

R1太大,MCU_INT_DET 的上升沿越慢; R1太小,有可能造成灌电流过大,导致MCU管脚烧坏。

3.1.4 固定电平

如 LDO 电路,高电平使能时,一般会在使能脚 CE 加上拉电阻到 VIN,达到上电 LDO 就有输出的效果。

对于 R1,一般芯片的 SPEC 会给出,最常见的是 10K 和 100K,那你说 47K 行不行,当然也行,要看 LDO CE 管脚的灌电流能力,也就是 5V 加在 R1 上的电流需要小于 CE 管脚最大灌电流,如果太大,CE 脚可能会烧毁。

3.2 下拉电阻使用场景

3.2.1 固定电平

如 NMOS 的控制电路中,一般 G 极加一个下拉电阻,固定低电平,MOS 管的 GS 阻抗很大,容易遭到静电的干扰,导致 GS 之间产生较高电压,使 MOS 管开关状态改变。

对于 R2,MOS 管在关闭状态,流过 R2 的耗流为 0,MOS 管导通状态;流过 R2 的电流为 I = V C T R L / R 2 I=V_{CTRL}/R_{2} I=VCTRL​/R2​,如果想减小耗流,尽可能提高 R2 的阻值,一般取值 200K,1M 等。

3.2.2 作为放电电阻

有的 LDO 电路中,也会加 R4 下拉电阻,叫假负载,LDO 关闭时,用于快速泄放 C6 上的电压,这和电路的使用场景有相关。加 R4 的坏处是,在正常工作时,会增加 I = 3.3 / R 4 I=3.3/R_{4} I=3.3/R4​的耗流,再说一句,现在也有带自放电功能的 LDO,带自放电和不带自放电,有利有弊。

对于 R4,阻值越小,放电越快,但是正常工作时,增加的耗流会越大。

  1. 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。
  2. 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,来提供泄荷的通路。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。

3.3 上下拉电阻阻值的选择原则

  • 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。
  • 从确保足够的驱动电流考虑应当足够小;电阻小,电流大。
  • 对于高速电路,过大的上拉电阻可能边沿变平缓。

四、阻抗匹配

匹配器中电阻器的阻值可由下式确定: R 1 = Z 1 ( Z 1 − Z 2 ) R1 = \sqrt{Z_{1}(Z_{1}-Z_{2})} R1=Z1​(Z1​−Z2​) ​ R 2 = Z 1 / ( Z 1 − Z 2 ) R2 = \sqrt{Z_{1}/(Z_{1}-Z_{2})} R2=Z1​/(Z1​−Z2​) ​ 即式中,Z1 和 Z2 为网络1和网络2的阻抗,它们分别为 300Ω 和 75Ω。将它们代入上面两个公式中,则求得 R1=259.8Ω,R2=86.6Ω。

阻抗匹配:严格来讲,当高速电路中,信号再传输介质上的传输时间大于信号上升沿或者下降沿的1/4时,该传输介质就需要阻抗匹配。

  • 需要说明的是,匹配电阻不一定都是33欧,从几Ω到几十Ω都有,具体试情况而定。

  • 比如USB等

五、全带宽滤波(吸收毛刺)

在一些芯片的电源管脚,采用LC滤波,有时会在L之后串联一个几欧姆的电阻,电阻起到全频段滤波的作用,还有一个作用就是降低电路的品质因数Q,Q定义为回路发生谐振时,储存能量与一周期内消耗能量之比。Q=(LC)^1/2 / R。

  1. 在储能电路中,Q值越大意味着损耗小,虑除其他频带信号的能力越强,希望Q越大越好;

  2. 在电源或信号线路中,Q越大,通频带内特性曲线越陡峭,越容易引发振铃,信号越容易失真。希望Q越小越好;

其实在实际应用中,利用电阻进行全带宽滤波的应用非常多。其次串接电阻也可解决针对信号的上升沿下降沿产生的过冲、抖动等,比如音频的I2S信号中,串接33欧姆出现上冲,更换为50欧姆明显上冲小了很多!!

六、RC电路

RC电路的是电阻和电容一起使用的。 直接给出RC电路的全响应计算公式:

七、0欧姆电阻

7.1 0欧姆电阻计算

0欧姆电阻并不是真正的无阻值,一般阻值 r ≤ 50 m Ω r≤50mΩ r≤50mΩ,一般有 20mΩ、30mΩ 和 50mΩ 三个等级,根据下面公式可以算出电流 i i i; p = i 2 ∗ r p = i^2 * r p=i2∗r 以0欧姆 r = 50 m Ω r=50mΩ r=50mΩ,通过计算yageo常见封装0Ω电阻的过电流大小如下,仅供参考;

封装(英制) 功率(W) 最大工作电流 (A)
0201 1/20 1
0402 1/16 1.12
0603 1/10 1.4
0805 1/8 1.58
1206 1/4 2.24
1210 1/2 3.16

在yageo的规格书中,各封装对应的额定电流是:0.5A(0201)、1A(0402/0603)、2A(0805/1206/1210)。

7.2 0欧姆电阻使用场景

  • 跳线使用,兼容电路中,其中一个线路不使用时,0欧姆电阻不贴。

  • 地是参考0电位,所有电压都是参考地得出来的,地的标准要一致,故各种地应短接在一起。 如果把模拟地和数字地大面积直接相连,会导致互相干扰,不短接又不妥。 我们可以用一个0欧的电阻来连接这两个地,而不是直接连在一起。这样做的好处就是,地线被分成了两个网络,在大面积铺铜等处理时,就会方便得多。

  • **做保险丝用。**直接串联在想要保护的电路里面就可以了。由于PCB上走线的熔断电流较大,如果发生短路过流等故障时,很难熔断,可能会带来更大的事故。由于0欧电阻电流承受能力比较弱(其实0欧电阻也是有一定的电阻的,只是很小而已),过流时就先将0欧电阻熔断了,从而将电路断开,防止了更大事故的发生。

  • ,可以去掉0欧姆电阻,接上电流表,方便测耗电流。

  • 。匹配电路中,参数不确定时,先使用0Ω,测试确认后,再使用具体数值。

  • 在高频信号下,。(与外部电路特性有关)电感用,主要是解决EMC问题。如地与地,电源和IC Pin间。

  • 。跨接时用于电流回路,当分割电地平面后,造成信号最短回流路径断裂,此时,信号回路不得不绕道,形成很大的环路面积,电场和磁场的影响就变强了,容易干扰/被干扰。在分割区上跨接0欧电阻,可以提供较短的回流路径,减小干扰。

  • 布线布不过去时,可以使用0Ω电阻,但是一般不建议使用。


• 由 Leung 写于 2021 年 8 月 29 日

• 参考:硬件设计2—什么是电阻?     硬件基础知识(电阻)     硬件基础知识—(5)电阻的用法

标签: 电路中电阻过高会出现电阻电阻的时候该电阻能正常工作吗电源电压固定电阻固定电阻可以不用加吗

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