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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
6 K2 d2 W& Q3 @. {4 I* |# I& C) P4 Z' W2 k, |
“鹏哥，I2C接口为什么总是要外接个上拉电阻？”, U: |" o, Z* E# o* [" J3 ?  O
“它是Open Drain结构。”
7 P" N9 o6 H$ O; {“哦！牛逼！”$ f7 Y5 H6 ^  A5 _  V* }8 v

1 ~& j) [& _) O- N: f0 z
, _; M/ J# M) H: d6 c8 J我操，谁能告诉我 Open Drain到底是什么鬼？4 A* O( f* \' y+ Z6 K
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：
; \9 q! |0 w& G  C2 S1 k  I
% V- h' g, u# _" h( r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。% U7 d0 M/ L2 S0 q9 k5 s
当CONTROL=Low 时，Q1断开，Q2导通，OUTPUT= 0；" s* n, }1 `6 d: Q; i
当CONTROL=High时，Q1导通，Q2断开，OUTPUT处于悬空状态。7 o1 U% M- J! H% ?' i) }* b  P
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 Z9 _, f& m4 q+ t* \" G  T" v
3 \& u. F3 p  j
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：
! Z( V: A3 K$ [* V5 c/ w7 v 2 @( I2 s6 ^/ |& W0 A1 h2 l/ T
当CONTROL=Low 时，Q1断开，Q2导通，OUTPUT= 0；9 w6 Z5 Z" ?, w" i
当CONTROL=High时，Q1导通，Q2断开，OUTPUT=1。+ e2 I% ^* _* Y  W$ i2 h! Z
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：3 Y6 K9 Y# V" n% k
& }2 R" N' F( `; Y. G% t  ^- b
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：
# O! w% y9 K* s9 YR2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。) m+ [( R4 ^: l/ \
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
# M. B# [; N+ J7 y) I考虑再放大点；如果上升沿太平缓，那应该放小点了。
% X' m, ?' N3 i. ]2 ^' e2 P1 dMTK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。1 ?$ m$ ~( z  v; U9 @
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。  [' k9 W* K7 e6 v  N8 s6 P
( l* F" F5 j; Y& 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。
8 [: P( m8 D5 G! m5 x% r- N4 {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。
; c. N+ Z0 `" s9 L) v5 q& Y& x4 u7 \$ x+ V1 x( W1 t
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 }% p6 d& Q9 Y' v! g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：+ @) I9 J* v$ Y- \2 o. v" A
9 Q6 |9 D4 Q+ W' e7 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！' j% ~. O) v  D, `, {" h9 ?- T
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 d+ p2 {2 ~0 e. U( p4 xCPU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；
. T- Y, j( p1 x6 N! X1 T$ j) m. SCPU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；0 }, f, f) F0 ]! ^( l
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；! G* B: \$ P( }5 d
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。
% t& s9 C& N, L, J4 J$ P' c) q+ g
9 Y5 ~, q( n! G1 `# y; S+ @
# a$ v9 U. o4 ?9 n
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 08:041 k7 o+ |7 U. v' I! L
哇！好详细的开漏研究，楼主辛苦了！

  X+ E  H% [. M7 }" A$ `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& Q: i. O5 \' @# @. T: Y( C
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 ...
) F3 d/ x, K5 d' \1 M
Heng，上升沿的时间也是一种驱动能力的体现
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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
% M  A3 E# {2 T, m% g6 c% 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 ...

) g! S2 ^2 m/ Y& 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
" O, K5 ~  ~1 w——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。
7 H' m, B3 \( b. M3 `! U而且P-MOS的S-D之间并一个二极管
, Z, i) u6 Q! M) Q1 l9 Z; Z  l- s7 N——用的是N-MOS
: V. Q4 W1 J5 I3 q; L. R" q; K
作者: guhanzuiying    时间: 2017-4-14 11:29
jaky 发表于 2017-2-26 21:25& p; l! J: ?0 Q* {1 E2 Q9 Z1 {5 ~
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" n- C' j4 @' n; _  h, t% i% q7 h" h
作者: V-dragon    时间: 2017-7-15 14:52
学习下~~~~~~~~~~
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