I2C七宗罪之第四罪

alexwang

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I2C七宗罪之第四罪——电平转换

EDA365原创 作者：John

今天来说一道Facebook的面试题，曾经我的一个朋友梦想去美国硅谷工作，Facebook的工程师在面试时问了一道关于I2C的问题，比较简单也比较直接，可惜我的那个兄弟由于太紧张，没有答好，大家在看这篇文章时，不妨自测一下自己能不能准确答出来。

我们先来看一张图，熟悉I2C的人一看，这不是I2C的level shifter电路嘛，在Philip的I2C标准里面有，没有啥复杂的。

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我们先来解读下这张图，I2C的level shifter是通过NMOS管来实现的，有人可能会问，为什么不用PMOS呢？一般情况下，只有在外部电源输入端，我们设计INRUSH电流缓启动或者防反插电路的时候才会用到PMOS。理由很简单， PMOS是低电平打开，电源插入瞬间系统其实还没有用于打开MOSFET的高电平，所以只能选择PMOS， 而NMOS体积小，RDSON低，在系统内部会更多选择NMOS。

我们来举个PMOS的用例：

言归正传，我们来继续讨论I2C问题。首先我们要牢牢记住，I2C是Open-drain，所以level shifter电路的两边都是上拉电阻Rp的，下面讲下这个电路是怎么工作的。

下图是两张I2C的基本操作时序图，分别是Master对Slave所做的读和写：

我们可以看到， SDA一定是双向的，既然是双向的，那么就有四种情况，我们来一一解释level shifter是怎么来cover它们的。（注意：这里面会含有一个Facebook的问题，不要忘记自测哦。）

1、第一步，Master往Slave发数据1

1) 左边MasterSDA_1为输出，驱H-3.3V，NMOS的VGS=0, 此时NMOS关闭；

2) 右边的Slave的SDA_2是输入，对外呈现高阻；

3) NMOS关断和SLAVE为输入，导致SDA_2悬空；

4) 最终SDA_2依靠RP2上拉到5V，完成3.3V到5V的转换。

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2、第二步，Master往Slave发数据0

1) 左边MasterSDA_1为输出，驱Low=0，NMOS的VGS>0, 此时NMOS打开；

2) 右边的Slave的SDA_2是输入，对外呈现高阻；

3) NMOS打开和SLAVE为输入，导致SDA_2=SDA_1=0；

4) 最终SDA_2被SDA_1拉到0，完成低电平的转换。

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3、第三步，Slave往Master发数据1

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1) 右边Slave SDA_2为输出，驱H-5V；

2) 左边Master SDA_1为输入，对外高阻, 被RP1上拉到3.3V；

3) NMOS 因为VGS=0一直关闭；

4) NMOS关闭，Master SDA_1维持3.3V高电平，完成电平转换。

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4、第三步，Slave往Master发数据0

1) 右边Slave SDA_2为输出，驱LOW；

2) 左边Master SDA_1为输入，对外高阻, 被RP1上拉到3.3V；

3) NMOS 因为VGS=0一直关闭；

4) NMOS关闭，Master SDA_1为3.3V高电平。

问题来了，我们看到右边的SDA_2位Low，但是左边的是SDA_1位High，那不是失败了嘛，不可能啊，这个电路是好的啊。

我们来看看下一步会发生什么，其实这个问题没有那么难，仔细看看这张图，还是比较容易发现线索的。

我们来揭晓答案：大家看看上图的NMOS下面多了一个二极管，我们把这个二极管叫做Body Diode，它会在这个时候发挥作用。

5) 由于左边SDA_1为高，右边SDA_2为LOW, Body Diode导通；

6) SDA_1被拉低，导致NMOS VGS>0 后打开；

7) NOMO打开后，SDA_1和SDA_2相当于短在一起；

8) 最终左边SDA_1被右边的SDA_2拉低变为LOW。

我们看到由于体二极管的作用，打开NMOS管，使得右边Slave输出的L=0顺利到达左边的Master SDA_1输入端。

当你看着这张图，按图索骥，也许不难发现答案，但是在面试的时候，一是紧张，二是没有清晰的电路提示，有时候容易发挥不出来，你们觉得呢？

今天这个小坑就先讲解到这里，后面的第五宗罪——负载会更加精彩哦！

注：本文为EDA365电子论坛原创文章，未经允许，不得转载。

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alexsun80

一直用这个电路，不知原理。今日雄文，解我多年疑惑。谢了！

yongbudl2015

各位，有john大神的联系方式吗，很想认识一下，我邮箱2929219135@qq.com

venusjoy

很好

两面包夹芝士

有图片没加载出来，楼主能麻烦再更新下图片吗