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多速率 I2C 总线的非线性上拉
接线图
2024年10月20日 19:24 90
admin
I 2 C 是一种流行的双向串行通信总线，具有时钟和数据线。两条线路的驱动器均由开漏接地参考 N 沟道 MOSFET 组成，该 MOSFET 具有连接到 1.8 V 至 5 V 电源的上拉电阻。上拉电阻必须足够小，以便在存在大量总线电容的情况下满足某些时序要求，但足够大，以至于不会超过令人惊讶的弱有源驱动器（指定在标准模式下在 3 mA 时下降小于 0.4 V，在快速模式速度下在 6 mA 时下降小于 0.6 V）电流并且满足逻辑低电平。满足这两种需求可能是一个挑战。
UM10204 I2C 总线规范和用户手册第 7.24 节中的图 44介绍了一种改进方法（图 1）。
图 1：开关上拉电路，其中模拟开关仅在高总线电压下激活，并与标准上拉电阻并联一个附加电阻。来源：恩智浦
模拟开关仅在较高总线电压下激活，并与标准上拉电阻并联一个附加电阻。这减少了上升时间，而无需提高驱动器可实现的逻辑低电平。但是，当驱动器被激活时，改进的程度受到较高电压下附加电阻的存在的限制——附加上拉太小，并且将超过允许的驱动器电流，并且将无法满足所需的逻辑低电平。更好的方法是仅在信号上升时（即驱动器关闭时）连接附加电阻。这样，驾驶员就不会与额外的上拉力作斗争，因此可以将其做得非常小。这是以下电路所采用的方法。
尽管 1.8V 是一种流行的总线电压（尤其是对于智能电池 IC），但我无法找到可以从此电压供电的速度足够快、电源电流足够低的比较器。幸运的是，具有 1.8 V 总线的产品通常提供 3.3 V 电压，并且模拟开关可以很好地弥补两个电源之间的差距。如果总线以 3.3V 运行，则模拟开关可以替换为 PNP 晶体管，其发射极连接到总线电源，其基极通过 3.3k 电阻驱动。万一出现 5 V 总线的情况，5V 可以连接到 PNP 的发射极，但需要找到一个支持 5 V 电源的 D 触发器来替换 U3。
UM10204 I2C 总线规范和用户手册第 7.24 节中的图 44介绍了一种改进方法（图 1）。
图 1：开关上拉电路，其中模拟开关仅在高总线电压下激活，并与标准上拉电阻并联一个附加电阻。来源：恩智浦
模拟开关仅在较高总线电压下激活，并与标准上拉电阻并联一个附加电阻。这减少了上升时间，而无需提高驱动器可实现的逻辑低电平。但是，当驱动器被激活时，改进的程度受到较高电压下附加电阻的存在的限制——附加上拉太小，并且将超过允许的驱动器电流，并且将无法满足所需的逻辑低电平。更好的方法是仅在信号上升时（即驱动器关闭时）连接附加电阻。这样，驾驶员就不会与额外的上拉力作斗争，因此可以将其做得非常小。这是以下电路所采用的方法。
在图 2中，比较器 U1 和 U2 设置为在典型 1.8VI 2 C 总线的逻辑低阈值和逻辑高阈值处进行切换。
当驱动器关闭并从逻辑低电平释放“新”信号时，该信号将上升至低阈值。U1 存在可接受的传播延迟正输出转换，它将 D 触发器 U3 的 1Q 输出计时为逻辑高电平。这会激活 U4，将 R5 与标准上拉电阻 R6 并联开关，从而大大缩短上升时间。当信号上升到逻辑高电平时，U2 的输出转换为逻辑低电平，清除 U3 的 1Q 输出，停用 U4 并断开 R5。（在这种情况下，传播延迟是值得欢迎的。U2 的延迟允许信号时间达到 1.8V，这得益于额外的上拉电阻。）电路现在已准备好驱动器的下一次激活，而无需与 R5 进行对抗。在激活之前，电路消耗的电流可以忽略不计。图3显示了与“旧”电路相比，“新”电路的上升时间缩短了，两者都具有相同的总线电容和相同的标准上拉。100 pF 仅是 I 2 C 操作最大指定值的 25% 。
尽管 1.8V 是一种流行的总线电压（尤其是对于智能电池 IC），但我无法找到可以从此电压供电的速度足够快、电源电流足够低的比较器。幸运的是，具有 1.8 V 总线的产品通常提供 3.3 V 电压，并且模拟开关可以很好地弥补两个电源之间的差距。如果总线以 3.3V 运行，则模拟开关可以替换为 PNP 晶体管，其发射极连接到总线电源，其基极通过 3.3k 电阻驱动。万一出现 5 V 总线的情况，5V 可以连接到 PNP 的发射极，但需要找到一个支持 5 V 电源的 D 触发器来替换 U3。
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