1.2 Подключение микросхем к шине i2c с различным напряжением питания и совместимыми с 5в-ым напряжением линиями ввода-вывода

Из значений, представленных в 1.1, можно сделать вывод, что микросхемы с фиксированными уровнями и микросхемы с уровнями по отношению к 5В-ому питанию могут быть подключены к одним и тем же линиям шины без использования дополнительных компонентов. Кроме того, микросхемы с уровнями по отношению к 3.3В-ому питанию также могут быть подключены к этим же линиям шины, но при условии, что выводы данных микросхем совместимы с 5В-ым напряжением. Данная возможность объясняется тем, что подтягивающие резисторы подключены к 5В-ому питанию (см. рисунок 1).

Рисунок 1. Шинная система I²C с 3,3В-ыми микросхемами (совместимые с 5В) и 5В-ыми микросхемами, которые подключены к одним линиям шины

Данное решение является наиболее простым, но требует, чтобы низковольтные микросхемы были совместимы с напряжением 5В, что усложняет процесс их производства. Низковольтные микросхемы с напряжением питания 2В также удовлетворяют требованиям шины I²C и могут быть подключены к шинной системе на рисунке 1.

Если микросхемы с напряжением питания менее 2,7В подключены к линиям шины через последовательные сопротивления, то особое внимание нужно уделить выполнению требования по запасу помехоустойчивости 0.1 V_DD при установлении низкого уровня, что необходимо в соответствии с требованиями шины I²C. Запас устойчивости 0.2 V_DD при установлении высокого уровня не зависит от напряжения питания.

Микросхемы с напряжением питания менее 2В не удовлетворяют требованию по запасу устойчивости 0.1 V_DD, т.к. низкий уровень на линиях шины равен 0,4В, а их входной уровень 0.3 V_DD меньше, чем 0.6В. Данная проблема будет разрешена в следующем обновлении требований к шине I²C.

1.3 Микросхемы с различными логическими уровнями, подключенные через двунаправленный преобразователь уровня

Для подключения двух каскадов шинной системы I²C с различным напряжением питания и различными логическими уровнями необходим двунаправленный преобразователь уровня. В шинной системе на рисунке в левом каскаде имеются подтягивающие резисторы и микросхемы подключены к 3,3В-ому напряжению питания, а в правом каскаде предусмотрены подтягивающие резисторы и микросхемы с 5В-ым напряжением питания. Микросхемы каждого каскада содержат входы с логическими уровнями по отношению к напряжению питания и выходы с открытым стоком.

Рисунок 2. Двунаправленный преобразователь уровня соединяет два каскада шинной системы I²C

Преобразователи уровня в каждой линии шины идентичны и состоят одного N-канального МОП-транзистора: T1 на линии последовательной передачи данных SDA и T2 на линии синхронизации SCL. Затворы (З) подключены к наименьшему напряжению V_DD1, истоки (И) к линиям шины каскада пониженного напряжения, а стоки (С) к линиям шины каскада повышенного напряжения. У многих МОП-транзисторов имеется внутренне соединение подложки с истоком. Если же этого соединения нет, то его нужно выполнить внешне. Диод между стоком (С) и подложкой внутри МОП-транзистора указывает на наличие n-p-перехода стока и подложки.

1.3.1 Описание преобразования уровня

Преобразователь уровня можно описать в виде трех состояний, в которых он может находиться:

• Состояние 1. Линия шины не подтягивается к низкому уровню ни одной из микросхем, а линия шины каскада пониженного напряжения подтягивается резисторами Rp к 3.3В. Затвор и исток МОП-транзистора имеют потенциал 3,3В, т.о. напряжение VGS меньше порогового напряжения и МОП-транзистор не пропускает ток. Это позволяет выполнить подтягивание линии шины каскада повышенного напряжения с помощью резистора R_p к 5В. Таким образом, линии шин обеих каскадов находятся в высоком состоянии, но имеют различные уровни напряжений.

• Состояние 2. 3.3В-ая микросхема устанавливает низкий уровень на линии шины. Исток МОП-транзистора принимает низкий потенциал, но напряжение на затворе остается равным 3.3В. Напряжение V_GS становится выше порогового и МОП-транзистор переходит в проводящее состояние. В этом случае линия шины каскада повышенного напряжения также подтягивается к низкому уровню через проводящий МОП-транзистор. Таким образом, линии обеих каскадов перешли в низкое состояние с одним и тем же уровнем напряжения.

• Состояние 3. 5В-ая микросхема устанавливает низкий уровень на линии шины. Через диодный переход исток-подложка МОП-транзистора каскада пониженного напряжения вначале снижается напряжение до тех пор, пока напряжение V_GS перейдет пороговый уровень, а затем, МОП-транзистор перейдет в проводящее состояние. Теперь, линия шины каскада пониженного напряжения подтягивается к низкому уровню через проводящий МОП-транзистор, открытый 5В-ой микросхемой. Таким образом, линии шины обеих каскадов находятся в низком состоянии и имеют один и тот же уровень напряжения.

Данные три состояния показывают, что логические уровни передаются в обоих направлениях шинной системы, независимо от каскадов управления. В состояниях 2 и 3 выполняется функция "монтажного И" между линиями шины обеих каскадов, что указывает на соответствие требованиям шины I²C.

К V_DD1 и V_DD2 может быть приложено другое напряжение, отличающееся от 3,3В и 5В, соответственно, например, 2В к V_DD1 и 10В к V_DD2. Для нормальной работы необходимо соблюдать условие превосходства или равенства V_DD2 относительно V_DD1. МОП-транзисторы допускают, чтобы напряжение V_DD2 было меньше V_DD1 в процессе снятия/подачи питании при условии неактивности в этот момент шинной системы.

Максимальное значение V_DD2 ограничивается только характеристиками используемого МОП-транзистора. При использовании повышенных напряжений необходимо принять во внимание замедление падающих фронтов, возникающих при переходе в состояние 2 или 3, что происходит за счет увеличения времени разряда емкости линии шины.

Минимально возможное напряжение питания V_DD1 зависит от порогового напряжения VGS(th) МОП-транзисторов. Если пороговое напряжение примерно на 1В ниже наименьшего V_DD1, то преобразователь уровня будет работать корректно. Например, если наименьшее напряжение V_DD1 равно 3В, то приемлемо использовать транзисторы с пороговым напряжением V_GS(th) не более 2В.