上周翻了下AT24CM02芯片的數(shù)據(jù)手冊(cè)，里面提到了I2C上拉電阻的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，只有兩個(gè)公式就簡(jiǎn)潔地把上拉電阻阻值范圍確定了，非常實(shí)用，詳細(xì)見(jiàn)圖1。實(shí)際上，以前我從來(lái)沒(méi)有注意過(guò)I2C上拉電阻設(shè)計(jì)，總是隨便選一個(gè)(如4.7K或者10K)，軟件測(cè)試正常就不再管了，但居然沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)問(wèn)題，可能有些僥幸吧。想起幾年前聽(tīng)別人說(shuō)他認(rèn)識(shí)一個(gè)工作在消費(fèi)類(lèi)電子行業(yè)的硬件工程師，即使是I2C都會(huì)測(cè)試的特別細(xì)致，因?yàn)槌鲐浟糠浅４螅瑤兹f(wàn)數(shù)量級(jí)，所以每個(gè)細(xì)節(jié)都必須做好;否則可能風(fēng)險(xiǎn)會(huì)比較大。而本文主要是對(duì)AT24CM02數(shù)據(jù)手冊(cè)中提到的I2C上拉電阻的兩個(gè)公式進(jìn)行說(shuō)明(公式是通用的)。

圖1 I2C上拉電阻設(shè)計(jì)要點(diǎn)

第一，I2C上拉電阻最小值確定

為什么I2C需要上拉電阻才能通訊呢?因?yàn)?a target="_blank">SDA和SCL是開(kāi)路漏極或者開(kāi)路集電極輸出，所以如果沒(méi)有上拉電阻，芯片是無(wú)法輸出高電平的，可參見(jiàn)圖2。

圖2 I2C硬件框圖

要理解I2C上拉電阻的最小值考慮，需要回顧下數(shù)字電路的靜態(tài)協(xié)議，參見(jiàn)圖3。從圖2中可以看到，當(dāng)master輸出拉低時(shí)，它是在輸出低電平即VoL。從圖3中可以看到，發(fā)送者的VoL要低于接收者的ViL，這樣才能有噪聲容限(數(shù)字電路設(shè)計(jì)相對(duì)模擬電路簡(jiǎn)單也跟噪聲容限大有關(guān)如0.7V)。ViL固定，那么VoL越低則噪聲容限越大，這樣就越不容易受到外界環(huán)境干擾。

圖3 數(shù)字電路的靜態(tài)協(xié)議

如AT24CM02芯片，它的手冊(cè)中是寫(xiě)到了VoL具體值的，參見(jiàn)圖4。而廠家測(cè)試Vol值時(shí)也會(huì)有個(gè)測(cè)試條件即IoL和Vcc。所以這兩個(gè)值確定好后就可以計(jì)算出I2C上拉電阻的最小值了。

圖4 AT24CM02數(shù)據(jù)手冊(cè)DC特征中的VoL(這里如VoL2的0.4V是最大值)

我們算一下Rpup(min)好了。Vcc=3V時(shí)，VoL=0.4V，IoL=2.1mA代入圖5中的公式，得到Rpup(min)≈ 1.238kΩ(如果小于這個(gè)值那么VoL會(huì)變大，會(huì)減小噪聲容限)。

圖5 I2C上下拉電阻計(jì)算公式

實(shí)際應(yīng)用時(shí)更可能會(huì)是3.3V，而不是3V，那么IoL應(yīng)該會(huì)比2.1mA大(參見(jiàn)圖4中Vcc=1.7V和Vcc=3V時(shí)IoL的區(qū)別)。這可能跟mos管的特性有關(guān)系，因?yàn)樾酒?a target="_blank">供電電壓高，mos管的驅(qū)動(dòng)電壓也會(huì)高的，導(dǎo)通后的Rds(on)會(huì)更小，所以IoL更大。

第二，I2C上拉電阻最大值確定

上拉電阻的最大值是什么決定的呢?是由于芯片I2C通信速率決定的，因?yàn)殡娐钒鍟?huì)有寄生效應(yīng)如寄生電容，它和上拉電阻正好形成了串聯(lián)RC電路，會(huì)有時(shí)間延遲，而這個(gè)延遲必須要小于電平低有效到高有效的時(shí)間，否則芯片讀到的電平是錯(cuò)誤的。

從圖2中I2C硬件架構(gòu)可以知道，芯片從0到1的實(shí)現(xiàn)方式是把mos管或者三極管關(guān)斷，而從1到0是把mos管或者三極管打開(kāi)。從1到0時(shí)間是非?？斓?，因?yàn)閙os管或者三極管導(dǎo)通后電阻很小、相當(dāng)于導(dǎo)線，所以上面壓降非常小(V=I*R)。而從0到1時(shí)間會(huì)受到RC的影響，因?yàn)殡娙輧啥说碾妷杭碫iH。這也是I2C上拉電阻不能太大的原因。

圖6 I2C邏輯電平0~1和1~0的簡(jiǎn)化原理圖

從圖5公式中我們可以看到，這里有tr，CL和Rpup，所以這個(gè)公式應(yīng)該是出自電路課本里面一階電路的暫態(tài)響應(yīng)。這里的0.8473是怎么來(lái)的呢?詳細(xì)參見(jiàn)圖7。

圖7 Rpup(max)計(jì)算公式的推導(dǎo)

最后，實(shí)際算下Rpup(max)。圖5中求Rpup(max)公式中的CL，不僅包括芯片的寄生電容，還有走線的寄生電容。假設(shè)CL(total)=50pf，tr=100ns，代入公式后得到Rpup(max)≈ 2.3604kΩ。因此Rpup取值在 1.238kΩ~2.3604kΩ之間都是可以的。雖然上拉電阻阻值大體選好了，但最好要實(shí)測(cè)小I2C總線波形是否正常等，因?yàn)榧僭O(shè)了一些東西比如CL=50pf，實(shí)際參數(shù)不一定是這樣的。至于I2C總線如何測(cè)試，我暫時(shí)還不清楚。

補(bǔ)充，我試了下，如果CL過(guò)大比如100pf，那么公式計(jì)算出來(lái)的Rpup(max)≈ 1.1802kΩ，它是小于前面計(jì)算出來(lái)的Rpup(min)≈ 1.238kΩ。可能I2C總線layout時(shí)候要特別注意下寄生電容，否則就不能保證VoL更小了。

圖7 tr在Vcc=3V時(shí)候?yàn)?00ns