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Open Drain 硬件结构肤浅的研究【欢迎指出错误】

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1#
发表于 2017-2-25 15:34 | 只看该作者 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

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本帖最后由 傻大个牌纯碱 于 2017-2-25 15:36 编辑 + o2 m: N; s& u; ~
  n" x, Q: n- `6 p$ j& F
“鹏哥,I2C接口为什么总是要外接个上拉电阻?”
6 N: x) z0 _; u4 h( ^“它是Open Drain结构。”
' z1 k. r6 ^6 ^8 G2 [“哦!牛逼!”
! |7 l8 I3 _4 ]: N  P  w, k
3 A9 [9 j6 t  {7 M7 w6 l6 d/ Q; s" c: h. y
我操,谁能告诉我 Open Drain到底是什么鬼?& `& \4 Q7 |% v* `/ {6 }
Open Drain,翻译过来就是开漏,意思是把MOS管的漏极不连接,悬空。手绘一个:3 ]% _- T) w: O  d
7 n: C1 ^0 p' p! |
开漏,是把上图电路中的Q2的漏极悬空。Q1是用来控制Q2的开关的。+ {2 f; D) Y2 p+ Q$ b- i
当CONTROL=Low 时,Q1断开,Q2导通,OUTPUT= 0;
6 K" T- A+ U+ d& }6 T2 }2 _当CONTROL=High时,Q1导通,Q2断开,OUTPUT处于悬空状态。
9 O+ N/ n3 ?9 k所以Open Drain的第一个特点:此结构本身只可以输出低电平(Low)0 ~+ ?3 x7 w9 J
' I! L+ n1 v, T" |7 |+ g
如果在OUTPUT端通过一颗电阻R2连接到POWER_1.8V,这种结构就有了输出高电平的能力:
0 S/ `: F# l  h; Y ! A6 U  Y* {$ E
当CONTROL=Low 时,Q1断开,Q2导通,OUTPUT= 0;: h" o* Z! _* K  ~  U: ^8 o* O
当CONTROL=High时,Q1导通,Q2断开,OUTPUT=1。& I6 ~$ d' u: |
R2的就是常说的上拉电阻,它的取值不是随便的,需要根据OUTPUT上的等效容值来选。在I2C的SPEC中第40页,专门画出了R2和等效容值的关系:% S+ A) `" ~" A

9 ?# t7 B+ L- \1 [图中可以看出R2(纵坐标Rp)和等效容值成反比例关系,简单地根据OUTPUT的波形来说:2 Z  N+ a6 ]. g* j
R2越大,OUTPUT上的上升沿越平缓;R2越小,OUTPUT上的上升沿越陡峭。上升沿的平缓程度就是我们常说的上拉能力。越陡峭,上拉能力就越好
# ]$ q: n  u: L% E. \$ N需要注意的是,R2越小,功耗就越大。所以,R2要根据实际情况调整:先放一个大的上拉电阻,然后测量OUTPUT的波形,如果上升沿很陡峭,可以
5 t; A5 c. o: E: Z, ?- b2 V考虑再放大点;如果上升沿太平缓,那应该放小点了。3 U! t  q% R: ?+ ^+ m' B
MTK老的平台,I2C的上拉电阻放的是2.2K。新的平台都用4.7K上拉,这也说明了MTK的CPU制作工艺在提高。
8 w: V- i8 e; @7 I! C- p同样,这是 Open Drain 第二个特点:如果要输出高电平,需要外接上拉电阻
# `7 o2 K! D; G% O+ j2 K* F# l( _9 Y5 q2 P
将两个 Open Drain 连在一起,只要有一方输出Low,这条OUTPUT就只能是Low了。I2C协议中,如果设备要占用总线,需要输出Low电平,就是这个原理。; v+ x* b! d# X& u/ G; w0 B7 y4 ^! O
这是 Open Drain 第三个特点:逻辑与,多个Open Drain的漏极接在一起,就相当于“逻辑与”的功能
  o; R/ h  \- K. z1 s* J7 J6 Q& C8 q6 G- I5 H
Open Drain 除了用在I2C上,它还有一个重要的应用:电平转换(Level Shift)
5 G0 y& F& X: i! Y0 e* M# V# N' X. j在N355上用 Open Drain 结构搭建了一个I2C上3.3V与1.8V的电平转换,如下图:. Q) L$ d5 M5 w- [* u

8 _9 O" m5 s* G$ K  n% p& _这个电路很有意思,1个IO电是1.8V的CPU与IO电是3.3V的IC本身是不能接在一起的,但通过这个电路,它们不仅接在一起,还可以进行I2C通信!
; o' i2 [* `' J) v0 I8 x; ?当理解了这个电路如何进行I2C通信之后,也就理解了电平转换。这个电路在进行I2C通信的时候,有下面四种情况:
( {, K. ]* }6 a5 i/ Z) BCPU发High电平(1.8V),Q6702/Q6703的Vgs=0(Vg=Vs=1.8V),两个MOS关断,IC端还是High电平;
0 Q# v% V/ H) A/ U( l# V3 n6 r/ W1 TCPU发Low 电平(0V),Q6702/Q6703的Vgs=1.8V,两个MOS打开,IC端的高电平被拉低;* V, f/ M# j$ g* e
IC端发High电平(3.3V),Q6702/Q6703的Vgs=0(Vg=Vs=1.8V),两个MOS关断,CPU还是High电平;
! c; H1 O+ I/ mIC端发Low 电平(0V),Vs=1.8V,Vd=0V,MOS管内的二极管导通(MOS管结构所致,S极和D极之间有个PN节,相当于二极管),CPU的高电平被拉低。/ _  x0 F$ P# q" v2 s4 K- {
4 i4 s$ _" W: c1 _7 g- m
, q+ I6 R$ k7 `5 f# e* o' H- J! m

评分

参与人数 1威望 +20 收起 理由
admin + 20 很详细,图文并茂,赞一个!

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该用户从未签到

2#
 楼主| 发表于 2017-2-25 15:35 | 只看该作者
欢迎指出错误
alooha 该用户已被删除
3#
发表于 2017-2-26 08:04 | 只看该作者
提示: 作者被禁止或删除 内容自动屏蔽

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5#
 楼主| 发表于 2017-2-26 20:22 来自手机 | 只看该作者
alooha 发表于 2017-2-26 08:04
+ F$ w  a1 N) {哇!好详细的开漏研究,楼主辛苦了!

4 H9 [% I3 [! K( _$ X, u有错误的话请指正哦

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6#
发表于 2017-2-26 21:25 | 只看该作者
找PCB工程师合作,可以在此处留言

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7#
发表于 2017-2-26 21:25 | 只看该作者
找PCB工程师合作,可以在此处留言

该用户从未签到

9#
发表于 2017-2-27 08:56 | 只看该作者
总结的还可以,总线的上升沿时间是R*C常数决定,驱动能力看集成管的参数,外部电阻只是提升驱动能力,理解有误请拍砖!

点评

Heng,上升沿的时间也是一种驱动能力的体现  详情 回复 发表于 2017-2-27 10:34

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10#
 楼主| 发表于 2017-2-27 10:34 | 只看该作者
HengliangYau 发表于 2017-2-27 08:569 q8 \% ^; L$ m5 U2 N
总结的还可以,总线的上升沿时间是R*C常数决定,驱动能力看集成管的参数,外部电阻只是提升驱动能力,理解 ...
& e( r7 L0 J7 v, m
Heng,上升沿的时间也是一种驱动能力的体现2 s" }8 w0 A3 m+ h: y5 ]

该用户从未签到

11#
发表于 2017-3-4 16:49 | 只看该作者
那个电平转换电路的左边(CPU这边)通常也要加上拉电阻,拉到1.8V,而且P-MOS的S-D之间并一个二极管(稳定可靠)

点评

那个电平转换电路的左边(CPU这边)通常也要加上拉电阻,拉到1.8V[/backcolor] ——这都被你发现了,是我漏了,其实这个电路还有前端部分,在CPU那端已经上拉了。[/backcolor] 而且P-MOS的S-D之间并一个二极管[/ba  详情 回复 发表于 2017-3-9 16:27

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12#
 楼主| 发表于 2017-3-9 16:27 | 只看该作者
wy_703 发表于 2017-3-4 16:49
+ F& X/ z; z1 T# C那个电平转换电路的左边(CPU这边)通常也要加上拉电阻,拉到1.8V,而且P-MOS的S-D之间并一个二极管(稳定 ...

. i6 r$ H7 z8 L& @9 E5 T) ?那个电平转换电路的左边(CPU这边)通常也要加上拉电阻,拉到1.8V9 |8 n; W5 }. }2 ]* c
——这都被你发现了,是我漏了,其实这个电路还有前端部分,在CPU那端已经上拉了。9 N! @: @9 y+ G: c. I5 Y3 @( p6 N/ k
而且P-MOS的S-D之间并一个二极管; G7 o5 b0 `" W0 B6 r9 y
——用的是N-MOS
% C! C6 {& q- y( T$ l4 G* T9 G

该用户从未签到

13#
发表于 2017-4-14 11:29 | 只看该作者
jaky 发表于 2017-2-26 21:25
* r0 m1 j9 z1 }+ a8 a! S找PCB工程师合作,可以在此处留言
6 P1 n! b& D9 w, J3 Y

: [4 f' s+ l4 J0 r
  • TA的每日心情
    擦汗
    2021-7-2 15:02
  • 签到天数: 6 天

    [LV.2]偶尔看看I

    15#
    发表于 2018-11-19 21:52 | 只看该作者
    楼主辛苦了
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