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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 ) k6 I; o- A! I) v. F
5 n: P8 w" T; ~- a. W3 V
“鹏哥,I2C接口为什么总是要外接个上拉电阻?”' {3 |5 ~  s) [# [5 r0 W# ?$ E
“它是Open Drain结构。”; l$ H/ N7 A8 W4 w  l
“哦!牛逼!”, Z5 _0 h; e/ n
6 D' o5 G. H' o) b* l1 `9 w8 Q0 b
' a6 b5 t/ F' R& v% n8 I- |$ q
我操,谁能告诉我 Open Drain到底是什么鬼?7 t* R9 W# X# C* |
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:
( o6 Z, f6 o! y5 m7 J; W1 a8 J 1 J3 P3 T2 C, A$ v$ k! L
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。
; z5 \2 Q9 L, o! X% O/ g; b- i当CONTROL=Low 时,Q1断开,Q2导通,OUTPUT= 0;* n9 E" A9 B8 G7 @4 H/ u" Z2 p
当CONTROL=High时,Q1导通,Q2断开,OUTPUT处于悬空状态。
; s# s! @; c& c6 F+ Y" R/ q0 E所以Open Drain的第一个特点:此结构本身只可以输出低电平(Low)
6 ~1 M1 _! e. j  P3 b$ E/ {, s/ s: H8 n' X
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:9 O) Y1 P) `0 i
" ?8 C" ^( `. _/ \8 x4 c/ l
当CONTROL=Low 时,Q1断开,Q2导通,OUTPUT= 0;7 \8 D. j6 h4 C( }; J6 R+ R( ^
当CONTROL=High时,Q1导通,Q2断开,OUTPUT=1。, I' _3 ^: z3 N- m2 c
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:4 Q" v& M3 f- w

) I# N$ D" s% F' Y! r/ j3 L% 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:/ A& m" }7 N( ]& Q: Y8 }3 f+ g
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
5 e) t: V$ e0 [' ?1 A2 P" J4 M# \0 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9 R4 s' L" r3 a9 |) B7 n1 T
考虑再放大点;如果上升沿太平缓,那应该放小点了。; p+ S! y, A9 v4 _* K
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。
. a# E- S+ \" 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* r3 j/ e9 Q# f
* @* X) ]- M/ F# V' |
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。* c: q# x0 V+ m# U
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. E3 s  q. T/ v2 Z3 m
8 n5 o& v2 P( V) w' Z7 Z  X6 I
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( ]3 j( h( }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:6 C& e1 X$ @1 a$ e! ~3 c

+ y" S0 ]+ C. D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 R+ W0 A1 D& c) D
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:
0 ~; E) Z/ _2 }5 L3 ACPU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;4 q/ E8 u' Z2 K3 S  {0 D8 ?
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;
. P& ^9 ~3 V1 v, K+ v; ~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;( B" h3 T# u& s% A+ a+ a# N$ ?' 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。
3 V: Z2 K2 Z0 V' u: w% i+ ~) p% _# h$ h: t+ L

" }- z5 X4 [; ^8 I4 w

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 08:048 ]) w5 ~& S5 Q. ]. T7 W1 c
哇!好详细的开漏研究,楼主辛苦了!
# g7 v3 D3 I) F9 o  N2 F( _9 V
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$ t6 ?' T' n  x$ `' 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 ...

1 W% ?/ U6 c9 O, v# A$ yHeng,上升沿的时间也是一种驱动能力的体现
9 }* ]1 d8 C: @1 D) x

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 16:491 B* E, x+ _7 Z# Y6 x% _4 r
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 ...

$ o; D; p6 I: D6 ^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) Q) _( G) V% W1 [) m# @
——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。8 Y" r0 L6 S" P! j
而且P-MOS的S-D之间并一个二极管
( B' K, \$ d/ f' Y0 z4 a! K——用的是N-MOS
, |6 ?; S* C' I( \! z8 j9 J! l

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
' @1 ~6 k% y" ^/ l6 |找PCB工程师合作,可以在此处留言

6 G4 l' y3 ?" s! N0 k3 C; T8 |) z* x( d: }5 K$ y
  • 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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