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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
. N2 T0 G0 M. W, d1 R% i9 _% j4 Q: U5 Y! N- l- m
“鹏哥,I2C接口为什么总是要外接个上拉电阻?”
! y1 `" T* y: f5 S“它是Open Drain结构。”4 `- k* N6 y3 \8 I
“哦!牛逼!”  r- j; i8 Y% {& M# J" ?9 m

, \; y: T) v7 v% @$ y! m, V' G5 w4 r$ G0 U
我操,谁能告诉我 Open Drain到底是什么鬼?
( C  ]+ i" o8 ?3 |2 hOpen 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:
' P6 v5 z+ a7 l; T, @/ S! _! X
" |- m" B/ Q: ~+ @2 d( b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。! y2 m* W5 S' h
当CONTROL=Low 时,Q1断开,Q2导通,OUTPUT= 0;5 t4 f; _% D" X
当CONTROL=High时,Q1导通,Q2断开,OUTPUT处于悬空状态。
! q7 s3 O- [8 f; f5 s0 j. z( z/ w所以Open Drain的第一个特点:此结构本身只可以输出低电平(Low)% z; ^( V+ Z: U- b! e4 ]# n
1 v4 f7 ~0 N5 r1 ?2 w, 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:
3 w( v: I& o9 Q $ y+ ~, n% _4 ?
当CONTROL=Low 时,Q1断开,Q2导通,OUTPUT= 0;& H# i& [7 T8 [1 `% t8 t
当CONTROL=High时,Q1导通,Q2断开,OUTPUT=1。
5 i1 ~4 C$ q/ KR2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:
, d1 f/ ]6 [. o; n+ B5 D
9 ?& r" Q0 ]5 r" c1 M6 u& [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:/ I7 g6 a! }2 u; h6 r
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
. }9 l" r" q  C; }7 e% @  {* G. g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 V2 S% M8 p( |4 K% s' ?6 @
考虑再放大点;如果上升沿太平缓,那应该放小点了。8 _- j* N( @; D, U$ w0 }8 m" c* ?& U
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。
3 s; t2 W- M) O" ~- Q- T5 q3 N, z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% g7 T: C  G! B; A( \$ U

6 e% P( P$ F! r0 J: _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。: w+ Y9 }' W% b+ P
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
2 T, c/ Q! i$ b* ?8 @
# J6 R) R. e4 R$ q( u! ?Open Drain 除了用在I2C上,它还有一个重要的应用:电平转换(Level Shift)
! t+ |2 o8 Y1 {" W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:5 u% x) A8 Q( j2 l0 _2 U

, R; V3 |' H' G1 Y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!% G& G7 @% |. o9 f/ O& a
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:
$ |8 O- _" y7 P/ l8 T1 lCPU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;
* N& z1 ]0 F) ^' Z/ c% ?CPU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;2 T2 \' Z) a: I6 f
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;; o9 E& w2 b" b
IC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。6 ^. X" ?; z+ U$ O3 x
, P# W' A9 E& e7 v$ ?! z% ]

* x1 p2 g+ u  t: |  k  g/ v

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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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
, x. H' I$ w* ^哇!好详细的开漏研究,楼主辛苦了!

. W3 F6 R  u: h. H3 G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

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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 08:56
5 _$ j" [% Y5 k+ }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 ...

! |0 o$ \3 }5 a; B. d) g; kHeng,上升沿的时间也是一种驱动能力的体现
4 N* s' R$ s! ], [. i% g5 O

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
/ @2 R; W* u& |) f2 I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 ...
5 v* @/ D) e8 ?, \
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1.8V3 k* {: N1 _2 C% K) ?4 ]
——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。- k. v7 L0 v5 r" G2 N# F9 ?  D
而且P-MOS的S-D之间并一个二极管2 \5 J+ Z8 e( u
——用的是N-MOS
1 s& `; p: Z/ Y2 l& ?& a: W0 c- x6 }

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13#
发表于 2017-4-14 11:29 | 只看该作者
jaky 发表于 2017-2-26 21:25
0 I" D2 r/ m# X* ]( c4 a找PCB工程师合作,可以在此处留言

0 A( N4 H0 _6 @
: h/ S8 d  F% ?# \& M
  • 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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