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のコメント欄にて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。