基础驱动硬件原理之-上拉电阻与下拉电阻

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上拉电阻和下拉电阻有什么用？

在 GPIO 配置、外设驱动（如按键、传感器）或通信总线（如 I2C）设计中会频繁接触上拉电阻和下拉电阻。它们的核心作用是通过 “强制电平” 解决引脚悬空导致的电平不确定问题，同时增强电路驱动能力。以下从定义、作用、典型场景及接线图展开详细说明：

一、核心定义：上拉电阻 vs 下拉电阻

两者的本质是 “限流电阻”，区别仅在于所接电平的高低和最终稳定电平，具体对比如下：

特性	上拉电阻（Pull-Up Resistor）	下拉电阻（Pull-Down Resistor）
连接方式	一端接高电平（VCC，如 3.3V/5V），另一端接芯片引脚	一端接低电平（GND，地），另一端接芯片引脚
引脚默认电平	无外部信号时，引脚被拉为高电平	无外部信号时，引脚被拉为低电平
核心作用	防止引脚悬空→高电平稳定	防止引脚悬空→低电平稳定
阻值范围（典型）	1kΩ ~ 10kΩ（平衡功耗与电平响应速度）	1kΩ ~ 10kΩ（同左）

二、共同核心作用

无论上拉还是下拉，本质都是解决嵌入式系统中 “引脚电平不确定” 的核心问题，具体衍生 3 个关键作用：

避免悬空干扰：芯片 GPIO 引脚若悬空（未接任何电路），会因电磁干扰、环境噪声被随机拉为高 / 低电平，导致 CPU 误判信号（如误触发中断）。上拉 / 下拉通过强制电平，让引脚 “无信号时必有确定状态”。

增强驱动能力：部分芯片引脚（如开漏输出引脚，如 I2C 的 SDA/SCL）本身无法输出高电平，需通过上拉电阻 “借力 VCC” 实现高电平驱动；下拉电阻同理可增强低电平驱动（避免外部高电平信号 “拉不动” 引脚）。

确定初始状态：系统上电时，外设（如传感器、按键）可能未就绪，此时引脚需有 “初始电平”（如按键未按下时，GPIO 为高 / 低），确保 CPU 初始化时不会读取到乱码。

三、开漏输出和推挽输出

下面是 GPIO 配置为输出时的内部示意图，左边是没有接负载的情况，右边是接入负载的情况，我们要关注的其实就是这两个 MOS 管的开关状态

我们可以将 Q1、Q2 这两个 MOS 管作为一个两位的二进制，那么其可以组合出以下四种状态：

Q1	Q2	输出状态
关闭	关闭	浮空/高阻态
关闭	打开	低电平
打开	关闭	高电平
打开	打开	ㅤ

两个 MOS 管都关闭时，输出处于一个浮空状态，此时他对其他点的电阻是无穷大的，所以这个状态也被称为高阻态；当两个 MOS 管都打开时，电源直接对地短路，MOS 管就烧毁了，所以这种状态不存在。对于一个 GPIO 来说，配置为输出时，就只能有这三种状态。

推挽输出

把 GPIO 输出的高电平和低电平拿出来，组成一个组合。

当我们外接一个 MOS 管时，输出高电平，电流流出去给外面的 MOS 管的栅极充电，所以这个过程称为推。把电流推出去。

当 IO 口输出低电平时，电路流进来给外面的 MOS 管的栅极放电，这个过程就是挽，把电流挽回来。

所以所谓的推挽就是描述了 MOS 管输出高低电平时，电流的一个动作而已。

开漏输出

把 GPIO 输出的低电平和浮空/高阻态拿出来，组成一个组合。

这种组合下，上面的 MOS 管永远是关闭的，所以这个时候可以把上面当作不存在的。

下面的 MOS 管的漏极就等于什么都没接，属于一个开路状态，所以这个模式被称为开漏模式。

开漏模式的作用：

改变高电平的电压；

举个例子，现在想用这个 GPIO 去控制一个芯片的 enable 引脚，但是这个 GPIO 输出的高电平是 5V。而芯片只支持 3.3V 输入，如果使用推挽模式输出高电平的话，是 5V，可能会把后面的芯片烧毁。

所以需要使用开漏模式，同时需要在外面接一个上拉电阻，这样当 MOS 关闭，也就是 GPIO 处于高阻态时，enable 就会被上拉电阻拉到 3.3V，也就是高电平；当 MOS 管打开时，enable 就被 MOS 管拉到了低电平。以上实现了 5V 单片机对 3.3V 芯片的控制。

支持多个 GPIO 来控制一个输入；

这是使用两个 GPIO 来控制右边芯片的 enable。如果使用的是推挽模式，如果上面的 GPIO 输出的是高电平，下面输出的是低电平，那么左边的通路就会短路，两个 MOS 管会烧毁一个。所以需要把这两个 GPIO 都配置为开漏模式，然后再外接一个上拉电阻。这样只要有任意一个 GPIO 输出低电平时，enable 就是低电平。如果都处于高阻态，enable 就是高电平。

上面的现象就是“线与”，只要有任意一个或多个 GPIO 输出了低电平，输出的就都是低电平；只有所有 GPIO 都输出高电平，总线才处于高电平。

四、总结

一个 GPIO 根据内部 MOS 管的开关情况，存在三种输出状态，分别是高电平、低电平和高阻态。

推挽输出，是通过开关管直接接到正极和负极的，所以是强上拉和强下拉的模式。

开漏输出是去掉强上拉的开关管，输出低电平时，下管导通，是强下拉。输出高电平时，下管断开，但是没有上管了，此时引脚处于浮空状态，也就是高阻态。开漏输出一般都会配置一颗外部的上拉电阻。通过一个电阻拉到高电平的，属于弱上拉。弱上拉的好处：

完全杜绝了电源短路现象，保证电路的安全；

避免了引脚模式的频繁切换；开漏加弱上拉的模式，同时兼具了输入和输出的功能；想要输出，就操作 MOS 管的打开和关闭；想要输入的话，就让 MOS 管处于关闭状态，通过弱上拉电阻的 “电平反馈” 读外部信号。

先明确：什么是 “引脚模式频繁切换”？

在嵌入式系统中，GPIO 引脚默认有明确的 “工作模式”，最核心的是输出模式（CPU 主动写电平到引脚）和输入模式（CPU 从引脚读外部电平）。比如用推挽输出的 GPIO 做 “双向通信”（既需要发信号给外设，又需要读外设的响应），就必须频繁切换模式：

要 “输出” 时：配置 GPIO 为推挽输出模式，控制 PMOS/NMOS 输出高 / 低电平；

要 “输入” 时：必须先暂停输出，修改 GPIO 配置为输入模式（否则推挽输出的强电平会覆盖外部信号，甚至短路）；

下次再输出时，又要改回推挽输出模式 —— 这就是 “引脚模式频繁切换”，不仅增加代码复杂度（要操作模式配置寄存器），还会引入时序延迟（配置寄存器需要时间），甚至可能因切换不及时导致通信错误。

开漏 + 弱上拉如何 “不切换模式，兼具输入输出”？

关键在于开漏输出的 “下管断开 = 高阻态” 这一特性：开漏输出的核心是 “只有下 MOS 管（拉低用），没有上 MOS 管（拉高用）”，高电平靠外部弱上拉电阻实现。此时，GPIO 的 “工作模式” 只需配置为开漏输出模式，无需切换 —— 通过 “控制下管通断” 就能分别实现 “输出” 和 “输入”，本质是 “高阻态同时承载了输出高电平和输入检测的功能”。

1. 当需要 “输出” 时：直接控制下管，无需改模式

开漏输出的 “输出功能” 靠下 MOS 管的通断实现，逻辑和你之前理解的一致：

想输出低电平：CPU 控制下 MOS 管导通，引脚通过 MOS 管直接接地→电平拉低（强下拉，和推挽输出的低电平一致）；

想输出高电平：CPU 控制下 MOS 管断开，引脚失去强下拉，靠外部弱上拉电阻从 VCC “拉” 到高电平（弱上拉高电平）；整个过程中，GPIO 始终是 “开漏输出模式”，无需修改任何模式配置 —— 只需操作 “下管通断” 的寄存器，就完成了输出控制。

2. 当需要 “输入” 时：让下管断开（高阻态），直接读电平，无需改模式

这是最关键的部分 —— 开漏输出的 “高阻态”（下管断开），天然就是输入模式的 “理想状态”（输入模式要求引脚高阻，避免 CPU 内部电路干扰外部信号）。此时 “输入” 的逻辑不是 “主动读电流”，而是通过弱上拉电阻的 “电平反馈” 读外部信号，具体场景比如：假设你用开漏 + 弱上拉的 GPIO 连接一个 “外部传感器”（传感器需要向 CPU 发信号）：

传感器未发信号时：传感器的输出引脚是高阻态，GPIO 靠弱上拉电阻维持高电平→CPU 读引脚电平为高；

传感器要发 “低电平信号” 时：传感器主动将其输出引脚拉到 GND→GPIO 的电平被传感器拉低（电流从 VCC 经弱上拉电阻流向传感器的 GND）→CPU 读引脚电平为低；整个 “输入” 过程中，GPIO 始终是 “开漏输出模式”—— 只需保持下管断开（高阻），直接读引脚电平即可，完全不用把模式改成 “输入模式”。