ダイアグラムと式を使用したプルアップ抵抗とプルダウン抵抗の理解

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この投稿では、プルアップ抵抗とプルダウン抵抗、それらが電子回路で一般的に使用される理由、プルアップまたはプルダウン抵抗のない電子回路に何が起こるか、およびプルアップとプルダウンの計算方法について説明します。プルダウン抵抗値、そして最後にオープンコレクター構成について見ていきます。

ロジック入力と出力がデジタル回路でどのように機能するか

デジタル電子機器およびほとんどのマイクロコントローラベースの回路では、関連するデジタル信号は、logic1またはlogic0、つまり「HIGH」または「LOW」の形式で処理されます。



デジタル論理ゲートはあらゆるデジタル回路の基本単位になり、「AND」、「OR」、「NOT」ゲートを利用することで複雑な回路を構築できますが、上記のようにデジタルゲートは「HIGH」の2つの電圧レベルしか受け入れることができません。 」および「LOW」。

「HIGH」と「LOW」は通常、それぞれ5Vと0Vの形式です。 「HIGH」は「1」または電源の正の信号とも呼ばれ、「LOW」は「0」または電源の負の信号とも呼ばれます。



供給入力が2Vと0Vの間の未定義領域のどこかにある場合、論理回路またはマイクロコントローラーで問題が発生します。

このような状況では、論理回路またはマイクロコントローラーが信号を正しく認識しない可能性があり、回路はいくつかの誤った仮定を行って実行します。

一般に、論理ゲートは、入力が0.8V未満の場合は信号を「LOW」として認識でき、入力が2Vを超える場合は信号を「HIGH」として認識できます。マイクロコントローラの場合、これは実際には大きく異なる可能性があります。

未定義の入力ロジックレベル

この問題は、信号が0.8V〜2Vであり、入力ピンでランダムに変化する場合に発生します。この問題は、ICまたはマイクロコントローラーに接続されたスイッチを使用した回路例で説明できます。

マイクロコントローラまたはICを使用した回路を想定し、回路を閉じると、入力ピンが「LOW」になり、リレーが「ON」になります。

スイッチを開くと、リレーは「オフ」になりますよね?そうではありません。

デジタルICとデジタルマイクロコントローラーは、入力を「HIGH」または「LOW」としてのみ受け取ることを知っています。スイッチを開くと、入力ピンは開回路になります。 「HIGH」でも「LOW」でもありません。

リレーをオフにするには、入力ピンを「HIGH」にする必要がありますが、オープン状態では、このピンは、浮遊ピックアップ、浮遊静電荷、および周囲からのその他の電気ノイズに対して脆弱になり、リレーがオンおよびオフになる可能性があります。無作為に。

迷走電圧によるこのようなランダムトリガーを防ぐために、この例では、示されているデジタル入力ピンを「HIGH」ロジックに接続する必要があります。これにより、スイッチがオフになると、ピンは定義された状態「HIGH」に自動的に接続されます。またはICの正の供給レベル。

ピンを「HIGH」に保つために、入力ピンをVccに接続できます。

以下の回路では、入力ピンはVccに接続されており、スイッチを開いても入力を「HIGH」に保ち、リレーのランダムなトリガーを防ぎます。

ご存知かもしれませんが、これで解決策が完成しました。しかし、いや....まだです!

図のように、スイッチを閉じると、システム全体が短絡して遮断され、短絡します。あなたの回路は、短絡よりも最悪の状況になることはありません。

短絡は、PCBトレースを焼く、ヒューズの溶断、安全スイッチのトリガー、さらには回路に致命的な損傷を与える可能性がある低抵抗パスを流れる非常に大きな電流が原因です。

このような大電流が流れるのを防ぎ、入力ピンを「HIGH」状態に保つために、「赤い線」の間にあるVccに接続された抵抗を利用できます。

この状況では、スイッチを開くとピンは「HIGH」状態になり、スイッチを閉じると短絡は発生せず、入力ピンはGNDに直接接続できるため、「 LOW」。

スイッチを閉じると、プルアップ抵抗による電圧降下はごくわずかになり、回路の残りの部分は影響を受けません。

プルアップ/プルダウン抵抗の値を最適に選択して、抵抗を介して過剰に引き込まれないようにする必要があります。

プルアップ抵抗値の計算:

最適値を計算するには、次の3つのパラメータを知る必要があります。1)Vcc 2)出力を「HIGH」にすることを保証できる最小しきい値入力電圧3)高レベル入力電流(必要な電流)。これらのデータはすべてデータシートに記載されています。

論理NANDゲートの例を見てみましょう。データシートによると、Vccは5V、最小しきい値入力電圧(高レベル入力電圧Vそれら)は2Vで高レベルの入力電流(Iそれら)は40uAです。

オームの法則を適用することにより、正しい抵抗値を見つけることができます。

R = Vcc-VIH(MIN)/ 私それら

どこ、

Vccは動作電圧であり、

VIH(MIN)はHIGHレベルの入力電圧です。

それらはHIGHレベルの入力電流です。

それでは、マッチングを行いましょう。

R = 5-2 / 40 x 10 ^ -6 = 75Kオーム。

最大75Kオームの抵抗値を使用できます。

注意:

この値は理想的な条件で計算されていますが、私たちは理想的な世界に住んでいません。最適な動作を実現するには、計算値よりわずかに低い抵抗、たとえば70K、65k、さらには50Kオームを接続できますが、上記の例では100オーム、220オームなどの大電流を流すほど抵抗を低くしないでください。

マルチゲートプルアップ抵抗

上記の例では、1つのゲートにプルアップ抵抗を選択する方法を説明しました。プルアップ抵抗に接続する必要のあるゲートが10個ある場合はどうなりますか?

方法の1つは、各ゲートに10個のプルアップ抵抗を接続することですが、これは費用効果が高く、簡単な解決策ではありません。最善の解決策は、すべての入力ピンを1つのプルアップ抵抗に接続することです。

上記の条件でプルアップ抵抗値を計算するには、次の式に従います。

R = Vcc-VIH(MIN)/ N x Iそれら

「N」はゲートの数です。

上記の式は前の式と同じですが、唯一の違いはゲート数を乗算することです。

それでは、もう一度計算してみましょう。

R = 5 -2 / 10 x 40 x 10 ^ -6 = 7.5Kオーム(最大)

ここで、10個のNANDゲートについて、電流が1個のNANDゲートの10倍になるように抵抗値を取得しました(前の例)。これにより、抵抗はピーク負荷で最小2Vを維持でき、必要なエラーなしで出力します。

どのアプリケーションでも、プルアップ抵抗の計算に同じ式を使用できます。

プルダウン抵抗:

プルアップ抵抗は、プルダウン抵抗に入力が接続されていない場合はピンを「HIGH」に保ち、入力が接続されていない場合はピンを「LOW」に保ちます。

プルダウン抵抗は、Vccではなくグランドに抵抗を接続することで作られています。

プルダウンは次のように計算できます。

R = VIL(MAX)/ 私THE

どこ、

VIL(MAX)はLOWレベルの入力電圧です。

THEはLOWレベルの入力電流です。

これらのパラメータはすべてデータシートに記載されています。

R = 0.8 / 1.6 x 10 ^ -3 = 0.5Kオーム

プルダウンには最大500オームの抵抗を使用できます。

ただし、ここでも、500オーム未満の抵抗値を使用する必要があります。

オープンコレクター出力/オープンドレイン:

ICが出力「HIGH」を駆動できず、出力「LOW」しか駆動できない場合、ピンは「オープンコレクタ出力」であると言えます。出力をアースに接続するか、アースから切り離すだけです。

ICでオープンコレクタ構成がどのように行われているかがわかります。

出力はグランドまたは開回路であるため、トランジスタがオフのときにピン「HIGH」を回すことができる外部プルアップ抵抗を接続する必要があります。

これはオープンドレインでも同じですが、唯一の違いは、IC内部の内部トランジスタがMOSFETであるということです。

さて、なぜオープンドレイン構成が必要なのかと疑問に思われるかもしれません。とにかくプルアップ抵抗を接続する必要があります。

オープンコレクタ出力で異なる抵抗値を選択することで出力電圧を変えることができるので、負荷の柔軟性が高まります。動作電圧が高いまたは低い出力に負荷を接続できます。

プルアップ抵抗値が固定されている場合、出力の電圧を制御することはできません。

この構成の欠点の1つは、大量の電流を消費し、バッテリーに適さない可能性があることです。正しく動作するには、より高い電流が必要です。

IC 7401オープンドレインロジック「NAND」ゲートの例を見て、プルアップ抵抗値を計算する方法を見てみましょう。

次のパラメータを知る必要があります。

VOL(MAX)これはIC7401への最大入力電圧であり、出力を「LOW」(0.4V)にすることを保証できます。

OL(MAX)これは低レベルの入力電流(16mA)です。

Vccは5Vの動作電圧です。

したがって、ここでは、約287オームのプルアップ抵抗値を接続できます。

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