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  • I2C雙向電平轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)介紹
    • 發(fā)布時(shí)間:2023-03-02 18:17:14
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    I2C雙向電平轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)介紹
    在I2C主從設(shè)備對接時(shí),需要考慮主從設(shè)備的電平情況,常規(guī)的主要有3種:5V,3.3V,1.8V。如果電平相同,比如都是3.3V,那么可以直接對接。如果電平不同,一個(gè)高電平是3.3V ,另外一個(gè)是1.8V,那么就需要接入其它的器件來做一下電平轉(zhuǎn)換,通常是接入NMOS管。
    通過使用雙向電平轉(zhuǎn)換器可以將電源電壓和邏輯電平不同的兩部分I2C 總線連接起來配置入下圖所示。左邊的低電壓部分有上拉電阻而且器件連接到3.3V 的電源電壓,右邊的高電平部分有上拉電阻器件連接到5V 電源電壓。兩部分的器件都有與邏輯輸入電平相關(guān)的電源電壓和開漏輸出配置的I/O。
    每條總線線路的電平轉(zhuǎn)換器是相同的而且由一個(gè)分立的N通道增強(qiáng)型MOS-FET管串行數(shù)據(jù)線SDA的TR1和串行時(shí)鐘線SCL 的TR2 組成。門極g 要連接到電源電壓VDD1, 源極s 連接到低電壓部分的總線線路而漏極d 則連接到高電壓部分的總線線路。
    很多MOS-FET 管的基底與它的源極內(nèi)部連接,如果內(nèi)部沒有,就必須建立一個(gè)外部連接。因此,每個(gè)MOS-FET 管在漏極和基底之間都有一個(gè)集成的二極管n-p 結(jié)。如下圖所示。
    I2C 電平轉(zhuǎn)換電路
    電平轉(zhuǎn)換器的操作
    在電平轉(zhuǎn)換器的操作中要考慮下面的三種狀態(tài):
    1、   沒有器件下拉總線線路。
    低電壓部分的總線線路通過上拉電阻Rp 上拉至VDD1(3.3V) MOS-FET 管的門極和源極都是VDD1(3.3V), 所以它的VGS 低于閥值電壓MOS-FET 管不導(dǎo)通這就允許高電壓部分的總線線路通過它的上拉電阻Rp 拉到5V。 此時(shí)兩部分的總線線路都是高電平只是電壓電平不同。
    2、一個(gè)3.3V 器件下拉總線線路到低電平。
    MOS-FET 管的源極也變成低電平而門極是VDD1(3.3V)。VGS高于閥值,MOS-FET 管開始導(dǎo)通然后高電壓部分的總線線路通過導(dǎo)通的MOS-FET管被VDD1(3.3V)器件下拉到低電平,此時(shí)兩部分的總線線路都是低電平而且電壓電平相同。
    3、一個(gè)5V 的器件下拉總線線路到低電平。
    MOS-FET 管的漏極基底、二極管低電壓部分被下拉,直到VGS 超過閥值,MOS-FET 管開始導(dǎo)通,低電壓部分的總線線路通過導(dǎo)通的MOS-FET管被5V 的器件進(jìn)一步下拉到低電平,此時(shí)兩部分的總線線路都是低電平而且電壓電平相同。
    這三種狀態(tài)顯示了邏輯電平在總線系統(tǒng)的兩個(gè)方向上傳輸,與驅(qū)動(dòng)的部分無關(guān)。狀態(tài)1 執(zhí)行了電平轉(zhuǎn)換功能,狀態(tài)2和3按照I2C總線規(guī)范的要求在兩部分的總線線路之間實(shí)現(xiàn)“線與”的功能。除了VDD1 (3.3V)和VDD2  (5.0V)的電源電壓外,還可以是例如2V VDD1 和10V VDD2 等的正常操作。其中VDD2必須等于或高于VDD1 。
    但是值得注意的是,VDD1作為較低部分的電壓,必須能夠大于所選擇的MOS-FET的閥值電壓,也就是必須能夠打開MOS-FET。此管參數(shù)必須謹(jǐn)慎選擇。如下兩種參數(shù)MOS-FET,在VDD1 (1.8V)到VDD2  (3.0V) 的電路中就可能存在截然不同的效果。
    管1
    I2C 電平轉(zhuǎn)換電路
    管2
    I2C 電平轉(zhuǎn)換電路
    選擇管1,由于VGS的范圍是1.0~2.5V,很有可能出現(xiàn)大于1.8V的狀況,因此VDD1方面?zhèn)鬏數(shù)碗娖叫盘枙r(shí),MOS-FET不能很完全的被打開,導(dǎo)致到VDD2  (3.0V)方面的信號不能徹底為低,出現(xiàn)半高狀態(tài)。
    選擇管2,由于VGS的范圍是0.9~1.5V小于1.8V,因此,通路才會(huì)正常工作。
    其他不同電壓間的轉(zhuǎn)換原理如上,請悉心選擇器件。
    在3.3V IIC總線中用到5V IIC器件,該電路已實(shí)驗(yàn)通過。
    I2C 電平轉(zhuǎn)換電路
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