I2C的开漏输出和上拉电阻

I2C的开漏输出和上拉电阻

I2C总线是由Philips公司开发的一种简单、双向二线制同步串行总线，它采用同步方式串行接收或发送信息，I2C总线是由串行数据线SDA和串行时钟线SCL组成。因为I2C只有一根数据线，故发送信息和接收信息无法同时进行，I2C工作时的传输速率在标准模式下可达100kbit/s，快速模式下可达400kbit/s，高速模式下可达3.4Mbit/s。I2C总线采用漏极开路的设计，且SDA和SCL通过上拉电阻连接V CC 。今天就和大家来探讨一下I2C为什么需要用开漏输出和上拉电阻。

首先，让我们简单地来回顾一下上周所介绍的推挽输出和开漏输出。

开漏输出：如果输出控制电路接收到低电平（0）时，此时地N-MOS导通，不管有没有接上拉电阻，I/O端口处的电平都会被N-MOS管拉低。但是当输出控制电路接收到高电平（1）时，N-MOS管截止，有上拉电阻存在时，输出高电平，没有上拉电阻存在时，输出电路开路，不能输出高电平。简而言之，开漏输出只有接上上拉电阻时，才有输出高电平的能力。

推挽输出：因为增加了一个P-MOS管，当CPU输出逻辑“1 ”时，P-MOS管导通，输出高电平。当CPU输出逻辑“0 ”时，P-MOS管截止，输出低电平。

为什么I2C需要用开漏输出？

因为I2C协议是支持多个主设备与多个从设备在一条总线上的，此时就会有多个GPIO口连接在同一条总线上，就势必会出现输出高、低电平不统一的情况，如果采用推挽输出时，就可能会出现某个GPIO的Vcc和GND连接在一起造成短路的情况，当你采用开漏输出时，因为有上拉电阻的存在就可以避免这一问题的出现。

为什么要上拉电阻？

①：因为开漏输出不接上拉电阻时无法输出高电平。而I2C通信需要有输出高电平的能力，故在漏极接上上拉电阻

②：I2C总线由SDA(串行数据接线)和SCL（串行时钟线）及上拉电阻组成，这样能够实现“线与”功能，不仅简化了电路，而且依照“线与”逻辑，可以实现多个主设备抢占总线时的仲裁，因为如果一个设备需要启动I2C时，它需要在SCL为高电平时，将SDA由高电平拉低作为启动信号,SDA拉高后，设备会对SDA的电平进行检查，如果此时SDA为低电平，就表示总线已经被占用，如果SDA为高电平，就说明总线可以被占用。

上拉电阻阻值怎么确定？

一般I\\0端口的驱动能力在2mA-4mA量级。

阻值不能过小：

当上拉电阻阻值过小时会导致从VCC输入的电路较大，进而使得MOS管不完全导通（由饱和状态变成放大状态），因为I2C协议规定，端口输出低电平的最高允许值为0.4V，故这样就会使得端口输出的低电平值增大。所以上拉电阻选取时不能低于1KΩ。

阻值不能过大：

因为上拉电阻和总线电容之间形成了RC，如果电阻过大会导致总线拉高的时间拉长以及输出阻抗的增大，当输出阻抗增大到可以与负载阻抗抗衡时，输出的高电平会因为分压而减少。

综上所述，建议上拉电阻选择使用1.5K、2.2K、4.7K。