EDA365电子工程师网

标题: Open Drain 硬件结构肤浅的研究【欢迎指出错误】 [打印本页]
作者: 傻大个牌纯碱    时间: 2017-2-25 15:34
标题: Open Drain 硬件结构肤浅的研究【欢迎指出错误】
本帖最后由 傻大个牌纯碱 于 2017-2-25 15:36 编辑
% j( \' `$ T/ H3 x! x5 m/ n; O8 p" s6 H! o5 e0 w  M: h
“鹏哥，I2C接口为什么总是要外接个上拉电阻？”* t, R9 f& c0 a" T- G6 I
“它是Open Drain结构。”
. w# i" S5 t9 k" E4 L“哦！牛逼！”6 A1 Q) O( K" I/ ~$ G

7 W" K0 @; {4 x5 h8 ?0 Y7 q" h* @
+ D& I% l) K" ~- [0 v/ ]: l8 U我操，谁能告诉我 Open Drain到底是什么鬼？
( a. |) A7 R( h4 n3 VOpen 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：! H5 A! Z# f: ^$ [
8 ~) |0 l& @% I
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。
- ~5 R# R6 o$ Q) b. f( T% @1 z' N当CONTROL=Low 时，Q1断开，Q2导通，OUTPUT= 0；
8 J  \3 E/ n' n% f当CONTROL=High时，Q1导通，Q2断开，OUTPUT处于悬空状态。
7 |1 U7 j; o- l( g( C' B所以Open Drain的第一个特点：此结构本身只可以输出低电平（Low）。2 v" a' a# [; u2 B* L0 G

; C% e1 Z8 |2 T3 L* d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：
' w- K$ v' V0 L! H* k
! ?- W+ \9 |% p# ~' D, l当CONTROL=Low 时，Q1断开，Q2导通，OUTPUT= 0；0 Z. v. U* R' X
当CONTROL=High时，Q1导通，Q2断开，OUTPUT=1。
/ N8 K" o( f8 X( [0 H. m! S5 O* m3 SR2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：
7 I0 @8 K1 M2 l# W7 j
7 [0 k" f" C' o  h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：
6 Y8 w; `3 q! s: ]0 d1 UR2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。
$ y0 t7 J# y' C8 I7 \( {9 w0 m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
+ e3 V4 u8 @) ^9 J考虑再放大点；如果上升沿太平缓，那应该放小点了。
* l* s8 F8 Y9 ]" ^% w5 bMTK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。* a9 A! y, `5 p3 @- C- R1 w% ~
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。: P; Y7 W6 v5 w+ {2 H/ T2 b/ F' B/ h
5 `9 B# y2 ^3 d
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。
5 T  k. O$ ?; n! ^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。9 Z% c0 @6 ]0 s. Z5 E
# Y/ T! c( ^% z
Open Drain 除了用在I2C上，它还有一个重要的应用：电平转换（Level Shift）。, {/ W2 z2 U7 Z! t
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：2 v) c) u# b( B1 t3 V. h

9 W) y( X5 F/ P) H' U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！% z# n$ \  j1 t& v
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：
2 B5 j! i9 q9 j; L  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；
( e7 N8 b$ @" Z+ `/ J7 F: eCPU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；# ~' ]# W# M0 T: @0 B5 a1 z) B
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；
/ {7 o+ J/ c9 E0 K# _" C4 IIC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 O* a" I$ W' g# o2 g# t& q" v3 o9 B* g0 J
3 C* [) {0 ^$ o- y6 P9 _8 v
作者: 傻大个牌纯碱    时间: 2017-2-25 15:35
欢迎指出错误
作者: alooha    时间: 2017-2-26 08:04
提示: 作者被禁止或删除 内容自动屏蔽
作者: 秦子墨    时间: 2017-2-26 14:09
不错
作者: 傻大个牌纯碱    时间: 2017-2-26 20:22
alooha 发表于 2017-2-26 08:04
* M, U0 ~1 K. c' ]+ G* U哇！好详细的开漏研究，楼主辛苦了！
, {6 w. s0 }* I6 P. v- v2 Z
有错误的话请指正哦
作者: jaky    时间: 2017-2-26 21:25
找PCB工程师合作，可以在此处留言
作者: jaky    时间: 2017-2-26 21:25
找PCB工程师合作，可以在此处留言
作者: jaky    时间: 2017-2-26 21:26
好东西
作者: HengliangYau    时间: 2017-2-27 08:56
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！
作者: 傻大个牌纯碱    时间: 2017-2-27 10:34
HengliangYau 发表于 2017-2-27 08:56  M: v2 f' f2 z- g% g
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 ...
: g# k' f; y% n7 u
Heng，上升沿的时间也是一种驱动能力的体现0 L! k2 _; [" {; v4 b8 O
作者: wy_703    时间: 2017-3-4 16:49
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）
作者: 傻大个牌纯碱    时间: 2017-3-9 16:27
wy_703 发表于 2017-3-4 16:49# p3 U9 ^4 d, M* C0 @$ o
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 ...

# _0 H9 I* l3 M1 }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
5 ]( A4 p$ S1 }8 u9 V——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。; e8 D3 ]4 p7 Y/ k
而且P-MOS的S-D之间并一个二极管4 c" W5 m9 l7 o# a7 c: O
——用的是N-MOS
; z. D0 O' U8 M& i' [
作者: guhanzuiying    时间: 2017-4-14 11:29
jaky 发表于 2017-2-26 21:25
& z- ?3 W- \; r& Q. V找PCB工程师合作，可以在此处留言

, h9 ?, G5 H# g7 {. O6 X2 b
7 o$ N0 H& |0 S  ]: p
作者: V-dragon    时间: 2017-7-15 14:52
学习下~~~~~~~~~~4 y: q9 \2 Q/ d8 D& C2 n




欢迎光临 EDA365电子工程师网 (http://bbs.elecnest.cn/) Powered by Discuz! X3.2