プルアップ抵抗について

電気回路初学者です。

下図でスイッチoffの時にLogic Gateの入力にVinが架かるのはなぜでしょうか？
プルアップ抵抗がある分、電圧降下は発生しないのでしょうか。

また、そもそもプルアップ抵抗を入れることでノイズに強くなるイメージが付いていません。
スイッチをonにしたときは回路全体がcloseするのでノイズに強そうというのは何となくイメージがつきますが、スイッチをoffにしたときは、スイッチが開いているのでそこからノイズが入ってくるようなイメージです。そもそもノイズはVinより遥かに小さく無視できるという前提があるのでしょうか。

またスイッチをoffにした場合、入力端子にVinが架かるなら入力抵抗との兼ね合いで電流が流れてしまいそうですが、そこはどのように解釈すればよいでしょうか。

ややこしい文章になってしまい、申し訳ありません。
ご回答よろしくお願いいたします。

No.6 回答者： kanta2006 回答日時： 2024/03/24 05:50

プルアップ抵抗に流れる電流は、極めて小さい電流です。

CMOSの入力端子でしたら、データシートを見れば、入力リーク電流の最大値が書いてあるはずです。
大抵は数μA単位の値です。
また、例に出された回路では機械的スイッチとされていますが、ここが半導体スイッチや、ICの出力端子の場合があります。
この場合、機械的スイッチとは違って、OFF時のリーク電流があります。

このようにこの信号ラインがHiレベルとなるべき状態の時、プルアップ抵抗には入力端子のリーク電流と出力側のOFF時リーク電流を合計した値の電流が流れます。
プルアップ抵抗は、これらの全てのリーク電流の合計値の電流が流れても、電圧降下の値が充分小さくなるような抵抗値を選ぶということです。

数μAの電流値での電圧降下が充分に小さくなるように考えると、抵抗値はそこそこ大きな値でも大丈夫なことが分かります。
しかしプルアップ抵抗が数MΩとなると、たとえ数μAでも電圧降下は無視出来ない値になります。
だから、プルアップ抵抗はそこそこ大きな値で大丈夫だとは言っても、数MΩではダメだということが分かると思います

No.5 回答者： tknakamuri 回答日時： 2024/03/21 23:15

CMOSの場合、入力インピーダンスは5MΩとかその位です。

このように接地とのインピーダンスが非常に高い状態を Floating(浮く)と言って、外部から浮遊容量を介してノイズを拾って電位がふらふらします。
CMOSでは中途半端な入力電圧は大電流を発生させるので危険です。

CMOSでは未使用の入カピンをプルアップ/プルダウン処理せずオープンしたままにすると、基盤全体の消費電力が上がり、最悪、基板の焼損や火事になるおそれがあるので細心の注意を払いましょう。チップにゲートが4個入ってるけど3つしか使わないので―個ほったらかしたりするとヤバいです。

プルアップ抵抗で入力インピーダンスを浮遊容量のインピーダンスより充分小さくすれば、電圧が落ち着き、ノイズの侵入や焼損を防げます。

No.4 回答者： yucco_chan 回答日時： 2024/03/21 18:46

>入力抵抗との兼ね合いで電流が流れてしまいそうですが

CMOSゲートと仮定して回答します。
入力抵抗は、ほぼ無限大。
通常は、無限大と考えて良いです。
無限大なので、プルアップしても電流は流れません。

無限大なので、僅かな（エネルギーの）ノイズでも、
ゲートの入力電圧は、HiになったりLowになったりします。
そこでプルアップ抵抗を付けると通常の僅かなエネルギーの
ノイズでは入力をLowにする事ができず、入力はHi固定になる。

No.3 回答者： isoworld 回答日時： 2024/03/21 17:19

この回路におけるプルアップ抵抗の主目的は、スイッチOFF時に入力を確実にHIにするためのものです。

どのロジック入力も開放にしてはならず、HIかLOか、いずれかに確定させないといけません。

また、プルアップ抵抗はノイズに強くする（というよりも外乱によって入力がHIやLOにふらつかないようにする）という意味合いもあります。

No.2 回答者： angkor_h 回答日時： 2024/03/21 16:31

三角の部分がスイッチ回路になり、

左側入力電圧を判断して右側に出力をするすスイッチングゲートである、
とします。

スイッチ回路には、入力の大小を判断する閾値があります。
三角内部は消費電力削減のため、微小電流で動いており、
雑音に敏感なので、外部にプルアップ抵抗を付けて安定化を図ります。
三角入力点が電流吸い込みか吐き出しかによりますが、
雑音で閾値に近づかないように、
そして、入力接地で、無駄に電流を消費しないように、
安全で最適なプルアップ抵抗値を選びます。

> そもそもノイズはVinより遥かに小さく無視できるという前提が
それが無いからこそ、
プルアップ抵抗で、電源電圧に固定しているのです。

No.1 回答者： taunamlz 回答日時： 2024/03/21 16:18

この回路の場合、プルアップ抵抗はノイズに強くするためにあるのではありません。

スイッチOFF時にHIを入力するための役割がプルアップ抵抗です。
プルアップ抵抗がない状態でスイッチをOFFにしたら、ロジック回路の入力は何Vになるかわかりますか？
わかりませんよね？
なので、それをはっきりさせるためにプルアップ抵抗があります。

ロジック回路の入力インピーダンスは非常に高いので、ほとんど電流が流れません。
電流が流れないということは、プルアップ抵抗にも電流が流れないので、電圧降下はほとんどありません。
ということは、ロジック回路の入力端子の電圧は、ほぼ電源電圧となります。

スイッチON時は入力端子がGNDに落ちます。
このとき、プルアップ抵抗に電流が流れますが、この電流はロジック回路へ影響を与えるものではありません。