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 

comment

Secret

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。
FC2カウンター
カテゴリ
ユーザータグ

LTspiceAkaiKKRmachikaneyamaScilabKKRPSoC強磁性CPAPICOPアンプecalj状態密度常微分方程式モンテカルロ解析odeトランジスタインターフェースDOS定電流PDS5022スイッチング回路半導体分散関係シェルスクリプトレベルシフト乱数HP6632A可変抵抗I2Cトランジスタ技術温度解析R6452Aブレッドボード数値積分確率論バンド構造バンドギャップセミナー反強磁性絶縁熱設計偏微分方程式非線形方程式ソルバA/Dコンバータフォトカプラカオス三端子レギュレータISO-I2CPWscfLM358GW近似シュミットトリガLEDマフィンティン半径数値微分サーボ発振回路TL431直流動作点解析USBカレントミラー補間PC817Cアナログスイッチ74HC4053VESTAbzqlty電子負荷イジング模型アセンブラQuantumESPRESSOLDAチョッパアンプBSch開発環境単振り子量子力学2ちゃんねるFFT基本並進ベクトル標準ロジックブラべ格子パラメトリック解析位相図キュリー温度ラプラス方程式繰り返し抵抗熱伝導スイッチト・キャパシタ状態方程式MaximaSMP失敗談gfortran六方最密充填構造コバルトTLP621不規則合金スピン軌道相互作用ランダムウォーク最適化ewidth相対論FETQSGWスレーターポーリング曲線VCA仮想結晶近似GGAcygwinQuantum_ESPRESSO条件分岐詰め回路NE555LM555固有値問題最小値ガイガー管QNAPUPSダイヤモンドマントルデータロガーゼーベック係数TLP552シュレディンガー方程式ZnO最大値CIF格子比熱xcrysdenMCUハーフメタル井戸型ポテンシャル三角波ブラウン運動フェルミ面awk差し込みグラフスーパーセルFXA-7020ZR過渡解析起電力fsolveOpenMPUbuntuWriter509テスタ熱力学第一原理計算TLP521ubuntu平均場近似自動計測CK1026MAS830LトランスPIC16F785フィルタAACircuitCapSense負帰還安定性ノコギリ波ナイキスト線図EAGLE2SC1815P-10PGAOPA2277MBELMC662入出力FSMTeX結晶磁気異方性非線型方程式ソルバ固定スピンモーメント全エネルギーmultiplotgnuplotc/aL10構造fcc等高線ジバニャン方程式ヒストグラム確率論正規分布初期値面心立方構造ウィグナーザイツ胞interp1合金半金属電荷密度重積分SIC二相共存磁気モーメント不純物問題cif2cellPWgui擬ポテンシャルウルツ鉱構造BaOquantumESPRESSOフォノンデバイ模型edeltリジッドバンド模型岩塩構造ルチル構造スワップ領域マテリアルデザインspecx.fフラクタルマンデルブロ集合キーボードRealforceクーロン散乱三次元疎行列縮退化学反応関数フィッティング最小二乗法Excel直流解析PCTS-110TS-112日本語パラメータ・モデル等価回路モデル文字列状態図熱拡散方程式HiLAPW両対数グラフ陰解法Crank-Nicolson法ifort境界条件連立一次方程式片対数グラフグラフの分割円周率ヒストグラム不規則局所モーメントGimpシンボル軸ラベル凡例線種トラックボール

最新コメント
リンク

にほんブログ村 その他趣味ブログ 電子工作へ