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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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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
- S1 f/ q: z! R$ T  j, j( q  I  u6 _" U
“鹏哥,I2C接口为什么总是要外接个上拉电阻?”- [+ [, D' O3 \: ]' }9 a- ^
“它是Open Drain结构。”
$ Y0 x+ o9 L* p) v* h( \! \2 Q“哦!牛逼!”
& j8 B5 e, G2 i$ u- a1 U8 L2 G 7 L5 U4 ?  s  A& |1 p

5 N* l# A! b; v1 A: p/ ?我操,谁能告诉我 Open Drain到底是什么鬼?
' Y8 M* C0 D. e( JOpen 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:
5 L( z# b" k2 @" e$ s) D' @
7 o$ P4 L# V: I/ r- Y& i  G1 [( j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。
! U4 O# l% h! p当CONTROL=Low 时,Q1断开,Q2导通,OUTPUT= 0;  B4 w* u0 F. w: T
当CONTROL=High时,Q1导通,Q2断开,OUTPUT处于悬空状态。% l) U- u( q7 k( F, X2 {( ~+ |
所以Open Drain的第一个特点:此结构本身只可以输出低电平(Low)& B  `& g$ _% J# N
$ `# R7 M7 S; \0 s
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 b9 j6 W' F5 o- ] * c2 d% m* U9 B$ v# D
当CONTROL=Low 时,Q1断开,Q2导通,OUTPUT= 0;9 q/ C, R$ J) t7 b
当CONTROL=High时,Q1导通,Q2断开,OUTPUT=1。
; ^7 H0 D1 L1 c; \; G7 vR2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:% |' ]6 D3 Q. w/ C
# J; K) ^8 x5 \. E, x5 K) s' N
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:& k" z! L: F# C% p. p
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* {+ v0 u! j* C4 V; O8 F5 d
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
0 j3 N2 S9 v& I2 a& D考虑再放大点;如果上升沿太平缓,那应该放小点了。
2 m+ o  Y. b* x1 d" T6 t; N) Z- Q  gMTK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。- V; v: ]8 b" r4 S: a
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
, Q/ x2 K2 h) j; f
2 a4 @3 T' y+ \2 d3 i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。# T& \- p4 `1 n7 a
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
* r. g4 Z- Z% G" W, r7 j* S8 ]& r& F! ?
Open Drain 除了用在I2C上,它还有一个重要的应用:电平转换(Level Shift)
2 l4 v6 I8 V0 T) G6 b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 N+ i4 R" q% \7 {; f& S
7 ~! o* x1 g5 U+ T- T
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!2 ~2 ]) _# S8 w7 y! n" {
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:4 v2 H" |% i5 \/ v$ J- }3 p/ {
CPU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;
( ~6 S* d5 u! v+ p. X, gCPU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;
( p# c2 @' m" U- S5 t; c$ a; QIC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;+ x# v3 ?7 _8 q1 A1 T7 j9 o
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。
1 [$ N1 q$ m( V
* g! U/ F& z- f9 g9 E# X" u) X
; m1 }+ O5 {- L* ?+ P! ?( d

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
$ Y0 U9 I9 b- W) c" ]/ ?' k/ Z! x1 A哇!好详细的开漏研究,楼主辛苦了!

+ D1 \; l) G+ z有错误的话请指正哦

该用户从未签到

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$ S, X" W/ o% H! A- e
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 ...

6 V/ @0 r* ~' ?- ~- r9 Y9 B+ ?Heng,上升沿的时间也是一种驱动能力的体现1 s7 @6 c# M5 \

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' R0 O4 G5 f* U7 R' b
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 ...
8 l: m( ^2 X1 h6 \" d' j$ _3 k
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. u+ G2 D, V9 E; q8 @, m' s
——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。6 t2 U% i* s) B) M8 f6 D
而且P-MOS的S-D之间并一个二极管
3 F$ ~" Z& i1 U; `0 y2 J. s——用的是N-MOS) J: S, T: [0 O5 ^& Y* ?9 K

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 21:256 c+ w" Q: f7 i- t2 z
找PCB工程师合作,可以在此处留言
! `$ m1 r4 j. W$ u" g, {
# m9 h! y$ m8 @9 T& v, \
  • 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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