ตัวต้านทานแบบดึงขึ้น

ในวงจรลอจิก อิเล็กทรอนิกส์ ตัวต้านทานแบบดึงขึ้น ( PU ) หรือตัวต้านทานแบบดึงลง ( PD ) คือตัวต้านทานที่ใช้เพื่อให้แน่ใจว่าสัญญาณมีสถานะที่ทราบ[ 1 ]โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ตัวต้านทานแบบดึงขึ้นหรือตัวต้านทานแบบดึงลงจะทำให้มั่นใจได้ว่าสายไฟจะมีระดับลอจิก สูง หรือระดับลอจิกต่ำตามลำดับ ในกรณีที่ไม่มีสัญญาณขับเคลื่อน[ 2 ]โดยทั่วไปจะใช้ร่วมกับส่วนประกอบต่างๆ เช่นสวิตช์ทรานซิสเตอร์และตัวเชื่อมต่อ ซึ่งจะขัดขวางการเชื่อมต่อของส่วนประกอบอื่นๆ กับแหล่งจ่ายระดับลอจิกที่มีอิมพี แดนซ์ต่ำเช่นกราวด์แรงดันไฟฟ้าบวก (VCC หรือเอาต์พุตของวงจรลอจิกที่ถูกขับเคลื่อนอย่างแข็งขัน และทำให้ค่าอินพุตของส่วนประกอบเหล่านั้นลอยตัว (กล่าวคือ มีแรงดันไฟฟ้า ที่ไม่แน่นอน ) ซึ่งเป็นสภาวะที่อาจนำไปสู่พฤติกรรมของวงจรที่ไม่สามารถคาดเดาได้และอาจก่อให้เกิดความเสียหายได้[ 3 ]
ตัวอย่างเช่น ในกรณีของสวิตช์ที่เมื่อปิดแล้วจะเชื่อมต่อวงจรกับกราวด์หรือแรงดันไฟบวกหากไม่มีตัวต้านทานแบบดึงขึ้น (pull-up resistor) หรือแบบดึงลง (pull-down resistor) เมื่อสวิตช์เปิด วงจรก็จะลอยอยู่ ในกรณีเช่นนี้ ตัวต้านทานแบบดึงขึ้นหรือแบบดึงลงจะช่วยให้วงจรทำงานได้อย่างเสถียร เชื่อถือได้ และปลอดภัย
ตัวต้านทานแบบดึงขึ้น (pull-up resistor) และแบบดึงลง (pull-down resistor) ถูกนำไปใช้งานในรูปแบบต่างๆ โดยส่วนใหญ่มักจะมาเป็นอุปกรณ์แยกต่างหาก ติดตั้งอยู่บนแผงวงจรเดียวกันกับอุปกรณ์ลอจิกที่ใช้งานไมโครคอนโทรลเลอร์และFPGA หลายตัว มีตัวต้านทานแบบดึงขึ้นและแบบดึงลงที่ตั้งโปรแกรมได้ภายในตัวสำหรับขาอินพุตลอจิก เพื่อลดความจำเป็นในการใช้ส่วนประกอบภายนอก
หลักการ
ในวงจรที่มีสวิตช์เปิด จะไม่มีกระแสไหลผ่านสาขานั้น ด้วยเหตุนี้กฎของ Kirchhoffจึงไม่ได้ระบุแรงดันไฟฟ้าคร่อมสวิตช์ที่เปิด แรงดันไฟฟ้าสามารถเปลี่ยนแปลงได้อย่างไม่แน่นอนเนื่องจาก สัญญาณ รบกวนทางไฟฟ้า โดยรอบ กระแสรั่วไหลและความจุปรสิต[ 4 ]หากไม่มีแหล่งเพิ่มเติมหรือเงื่อนไขขอบเขต แรงดันไฟฟ้าจะยังคงไม่สามารถกำหนดได้ และด้วยเหตุนี้ แรงดันไฟฟ้าคร่อมส่วนประกอบที่เชื่อมต่อจึงไม่สามารถกำหนดได้เช่นกัน
ตัวต้านทานแบบดึงขึ้น (หรือดึงลง) จะสร้างเส้นทางที่กำหนดไว้สำหรับการไหลของกระแสไฟฟ้าไปยังแหล่งจ่ายแรงดันเมื่อสวิตช์เปิดอยู่ วิธีนี้ช่วยให้มั่นใจได้ว่าแรงดันที่จุดเชื่อมต่อจะถูกตั้งค่าเป็นระดับที่ทราบได้ โดยทั่วไปคือลอจิกสูง (หรือต่ำ) ด้วยวิธีนี้ จะช่วยขจัดความไม่แน่นอนที่เกิดจากสวิตช์เปิด ทำให้กฎของ Kirchhoff สามารถกำหนดแรงดันได้อย่างน่าเชื่อถือ
| อุปกรณ์สวิตช์ | ตัวต้านทาน | ||
|---|---|---|---|
| ดึงข้อ | ดึงลง | ไม่มี | |
| ปิดสนิทกับ Vcc (ลอจิก 1) | 1 | 1 | 1 |
| ปิดสนิทกับ 0V (ลอจิก 0) | 0 | 0 | 0 |
| เปิด | 1 | 0 | ไม่สามารถระบุได้ |
ความต้านทานที่เหมาะสม

ตัวต้านทานแบบดึงขึ้น (pull-up resistor) ต้องมีค่าความต้านทาน ที่เหมาะสม จึงจะมีประสิทธิภาพและไม่รบกวนการทำงานของวงจร โดยทั่วไปแล้วจะถือว่าส่วนประกอบที่สำคัญมีอิมพีแดนซ์ อนันต์หรือสูงเพียงพอ ซึ่งรับประกันได้ เช่น สำหรับเกตตรรกะที่ทำจากFETในกรณีนี้ เมื่อสวิตช์เปิดอยู่ แรงดันตกคร่อมตัวต้านทานแบบดึงขึ้น (ที่มีอิม พีแดนซ์ ต่ำเพียงพอ ) จะแทบเป็นศูนย์ และวงจรจะดูเหมือนสายไฟที่ต่อโดยตรงกับแรงดัน ไฟบวก ในทางกลับกัน เมื่อสวิตช์ปิดอยู่ ตัวต้านทานแบบดึงขึ้นต้องมี อิมพีแดนซ์ สูงเพียงพอเมื่อเทียบกับสวิตช์ที่ปิดอยู่เพื่อไม่ให้ส่งผลกระทบต่อการเชื่อมต่อกับกราวด์ เงื่อนไขทั้งสองนี้สามารถนำมาใช้เพื่อหาค่าอิมพีแดนซ์ที่เหมาะสมของตัวต้านทานแบบดึงขึ้นได้ อย่างไรก็ตาม โดยปกติแล้วจะได้เพียงค่าขอบล่างเท่านั้น โดยสมมติว่าส่วนประกอบที่สำคัญมีอิมพีแดนซ์อนันต์จริง ๆ
ตัวต้านทานที่มีความต้านทานค่อนข้างต่ำ (เมื่อเทียบกับวงจรที่มันอยู่) มักเรียกว่า pull-up หรือ pull-down ที่ "แข็งแรง" [ 2 ]เมื่อวงจรเปิด มันจะดึงเอาต์พุตให้สูงหรือต่ำอย่างรวดเร็ว (เช่นเดียวกับการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าในวงจร RC ) แต่จะดึงกระแสมากขึ้น ตัวต้านทานที่มีความต้านทานค่อนข้างสูงเรียกว่า pull-up หรือ pull-down ที่ "อ่อนแอ" [ 2 ]เมื่อวงจรเปิด มันจะดึงเอาต์พุตให้สูงหรือต่ำช้าลง แต่จะดึงกระแสน้อยลง กระแสนี้ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วเป็นพลังงานที่สูญเปล่า จะไหลเฉพาะเมื่อสวิตช์ปิด และในทางเทคนิคแล้วจะไหลเพียงช่วงเวลาสั้นๆ หลังจากเปิดจนกว่าประจุที่สะสมในวงจรจะถูกปล่อยลงสู่พื้นดิน
แอปพลิเคชัน

ตัวต้านทานแบบดึงขึ้น (pull-up resistor) มักใช้ร่วมกับจัมเปอร์หรือสวิตช์ DIP เพื่อสร้างข้อมูลการกำหนดค่าสำหรับระบบอิเล็กทรอนิกส์ โดยการติดตั้งจัมเปอร์เพื่อสร้างลอจิกต่ำ หรือถอดออกเพื่อสร้างลอจิกสูง:
- ตัวต้านทานแบบดึงขึ้น (Pull-up resistor) ใช้ร่วมกับจัมเปอร์เสริมเพื่อสร้างสัญญาณการกำหนดค่า
ในกรณีที่อุปกรณ์สวิตชิ่งสามารถรับหรือจ่ายกระแสได้เท่านั้น อาจมีการเชื่อมต่อเอาต์พุตหลายตัวเข้ากับ PU หรือ PD ทั่วไป ซึ่งมักทำเพื่อใช้ในฟังก์ชัน wired-OR หรือ wired-NOR หรือเพื่อให้หลายอุปกรณ์สวิตชิ่งแบบแอคทีฟ (เช่น ไดรเวอร์แบบ open-collector) สามารถส่งข้อมูลบนบัสร่วมกันได้
- วงจร Wired-OR โดยใช้สวิตช์ด้านแรงดันสูงและตัวต้านทานแบบดึงลง
- วงจร Wired-NOR โดยใช้สวิตช์ด้านล่างและตัวต้านทานดึงขึ้น
- วงจรขับแบบ open-collector หลายตัวที่ใช้ตัวต้านทาน pull-up ร่วมกันเพื่อส่งสัญญาณบนบัสร่วมกัน
ตัวต้านทาน PD หรือ PU อาจใช้ร่วมกันโดยสวิตช์ที่ต่ออนุกรมกันสองตัวขึ้นไป เพื่อสร้างฟังก์ชัน AND แบบมีสาย หรือ NAND แบบมีสาย วงจรเหล่านี้มักใช้ในการตรวจสอบสวิตช์ล็อคเพื่อความปลอดภัย โดยจะส่งสัญญาณลอจิกสูงหรือต่ำตามลำดับ ก็ต่อเมื่อสวิตช์ล็อคทั้งหมดปิดอยู่เท่านั้น
- วงจร AND แบบมีสายโดยใช้สวิตช์แบบอนุกรมและตัวต้านทานแบบดึงลง
- วงจร Wired-NAND โดยใช้สวิตช์แบบอนุกรมและตัวต้านทานแบบดึงขึ้น (pull-up resistor)
ตัวต้านทานแบบดึงขึ้น (pull-up resistor) อาจใช้กับเอาต์พุตลอจิกที่ไม่สามารถจ่ายกระแสได้เพียงพอ (เช่นอุปกรณ์ลอจิกTTL แบบ open-collector ) เพื่อรับประกันว่าลอจิกสูงยังคงถูกต้อง ในตระกูลลอจิก แบบไบโพลาร์ที่ทำงานที่ 5 VDC ค่าตัวต้านทานแบบดึงขึ้นโดยทั่วไปจะอยู่ที่ 1000–5000 Ωซึ่งจ่ายกระแสได้เพียงพอเพื่อให้แน่ใจว่าแรงดันลอจิกสูงยังคงถูกต้องตลอดช่วงอุณหภูมิและแรงดันไฟเลี้ยงการทำงาน สำหรับ ลอจิก CMOSและMOSสามารถใช้ค่าความต้านทานที่สูงกว่าได้ เนื่องจากเอาต์พุตลอจิกโดยทั่วไปจ่ายกระแสได้มากกว่า TTL
ตัวต้านทานแบบดึงลงสามารถใช้งานได้อย่างปลอดภัยกับ เกตตรรกะ CMOSเนื่องจากอินพุตถูกควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้าอินพุตตรรกะTTL ที่ไม่ได้เชื่อมต่อจะลอยตัวสูงโดยธรรมชาติ และต้องการความต้านทานแบบดึงลงน้อยกว่าเพื่อบังคับให้อินพุตต่ำ อินพุต TTL มาตรฐานที่ตรรกะ "1" โดยทั่วไปจะดึงกระแส 40 μA และระดับแรงดันไฟฟ้าสูงกว่า 2.4 V ทำให้สามารถใช้ตัวต้านทานแบบดึงขึ้นได้ไม่เกิน 50 กิโลโอห์ม ในขณะที่อินพุต TTL ที่ตรรกะ "0" คาดว่าจะดึงกระแส 1.6 mA ที่แรงดันไฟฟ้าต่ำกว่า 0.8 V ซึ่งต้องการตัวต้านทานแบบดึงลงน้อยกว่า 500 โอห์ม[ 5 ]การรักษาอินพุต TTL ที่ไม่ได้ใช้งานให้ต่ำจะใช้กระแสมากขึ้น ด้วยเหตุนี้ ตัวต้านทานแบบดึงขึ้นจึงเป็นที่นิยมในวงจร TTL
ข้อเสีย
ตัวต้านทานแบบดึงขึ้น (pull-up) หรือดึงลง (pull-down) จะกินพลังงานเมื่อกระแสไหลผ่าน ทำให้เกิดความร้อนและพลังงานสูญเปล่า นอกจากนี้ ความต้านทานของตัวต้านทานรวมกับความจุของวงจรที่เกิดขึ้นโดยไม่ได้ตั้งใจ จะก่อให้เกิดตัวกรองความถี่ต่ำ (low pass filter) ที่ยืด (ขยายระยะเวลาของ) ขอบสัญญาณขาขึ้นหรือขาลง ทำให้จำกัดความเร็วสูงสุดที่วงจรสามารถทำงานได้ ตระกูลลอจิกบางตระกูลมีความอ่อนไหวต่อ การเปลี่ยนแปลง ของแหล่งจ่ายไฟที่เกิดขึ้นในอินพุตของลอจิกผ่านตัวต้านทานแบบดึงขึ้น ซึ่งอาจบังคับให้ใช้แหล่งจ่ายไฟที่มีการกรองแยกต่างหากสำหรับตัวต้านทานแบบดึงขึ้น
ดูเพิ่มเติม
- Rp (USB) - ตัวต้านทานแบบดึงขึ้น (pull-up resistor) ชนิดพิเศษในขั้วต่อ USB-C
- Rd (USB) , Ra (USB) - ตัวต้านทานแบบดึงลงชนิดเฉพาะในขั้วต่อ USB-C
- ตรรกะสามสถานะ
อ่านเพิ่มเติม
- พอล ฮอโรวิตซ์และวินฟิลด์ ฮิลล์ , ศิลปะแห่งอิเล็กทรอนิกส์ , ฉบับพิมพ์ครั้งที่ 2, สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ , เคมบริดจ์, อังกฤษ, 1989, ISBN 0-521-37095-7