異なる電圧レベル間でI2C その2

異なる電圧レベル間でI2Cコメント欄にてhatoさんにN-ch MOSFETを使う方法を紹介していただきました。

前のFETを用いたUSB機器の電池/Vbus切り替え回路の記事ではP-ch MOSFETを同じ理屈で使った回路を紹介しました。
今回は、異なる電圧レベル間でI2Cのバイポーラトランジスタを用いたI2Cレベルシフト回路とコメント欄で紹介していただいたNch MOSFETを使った回路をLTspiceでシミュレーションしてみました。

まずはバイポーラトランジスタを用いた方。




トランジスタのシミュレーションモデルは、数理設計研究所のSPICE MODEL LIBRARYの2SC1815を使いました。
I2C機器の側のモデルは、代わりにスリーステート出力の74HC125モデルを使いました。これはYahoo! Tech Groups - LTspice/SwitcherCAD IIIで公開されているものです。

入力クロックは400kHzで、5V側から入力する場合をシミュレーションしました。






3.3Vラインに大きなアンダーシュートが起きていますが、1pFのコンデンサを入れるときれいになります。






特に対策をしなくても1pFぐらいはICの端子の寄生容量として存在するので、実際の波形はおそらくきれいになると思います。

次にMOSFETの方。




NMOSのモデルは、何を使っていいのか分からなかったのでLTspice付属のBSS123を使いました。サイエンス・アイ新書 電子回路の基礎のキソ準拠ということで・・・






こちらも希望どおりの動作をしています。

これら二つの回路は、形こそよく似ていますが実は結構違う回路です。(これは微妙な言い回しですね・・・)
バイポーラトランジスタ版の回路は、ベースに対してエミッタとコレクタが対称な動作をしています。
これに対してMOSFET版の回路は、あくまでQ1がONするのはゲート-ソース間電圧がしきい値に達するからです。5V側(ドレイン側)を制御したときにもMOSFETがONするのはボディダイオードを通じてソースの電位が下がるためです。

このためバイポーラ版の回路は、コレクタとエミッタを入れ替えても動作します。エミッタを低電圧側にしているのはエミッタ-ベース間の耐圧が低いためです。
これに対して、MOSFET版はソースとドレインを入れ替えると動作しません。5Vから3.3Vへボディダイオードを通じて電流が流れてしまうからです。

さてシミュレーション結果からはどちらも問題なく動作していますが、バイポーラトランジスタ版の方はリバースhFE(βR)が気になるのでMOSFET版の方がオススメですね。フィリップス社のI2C仕様書(PDF,784KB)で紹介されているわけでもありますし。


tag: LTspice レベルシフト インターフェース I2C 

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メーカの回路

Re: メーカの回路

ノンノさん、こんにちは。
いろいろ付いてますが、本質的には同じ回路です。

No title

素晴らしいです。
すごくありがとうございます。

Re: No title

若いエンジニアさん、こんにちは。

お褒めにあずかり光栄です。
私のブログはこの記事を含め原理的な話も多いので、もしも実際に使うつもりでしたら動作速度など気をつけてください。

2SC1815について

探していた回路がこれでした。工作の参考にさせていただきます。ありがとうございます。

いろいろなサイトで2sc1815とだけある表記を見かけますが一般的にはyやgrはどちらでもよいのでしょうか?

お時間ある時に教えていただけたら幸いです。
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