Desplazador de nivel bidireccional I2C de 3,3 V a 5 V con BSS138

El circuito opera como un traductor de nivel de tensión bidireccional de dos canales para el bus serie I2C de drenador abierto, interconectando una sección de baja tensión (VDD1 = +3,3 V) con una sección de mayor tensión (VDD2 = +5,0 V). Cada línea del bus (SDA y SCL) utiliza un único MOSFET discreto de enriquecimiento de canal N (Q1 para SDA, Q2 para SCL). Las puertas de ambos MOSFET están conectadas permanentemente a la tensión de alimentación inferior VDD1 (+3,3 V). Los terminales de fuente se conectan al lado de 3,3 V y los drenadores al lado de 5,0 V. Las resistencias pull-up R1 y R2 (10 kΩ) polarizan las líneas de 3,3 V a VDD1, mientras que R3 y R4 (10 kΩ) polarizan las líneas de 5,0 V a VDD2. Los condensadores de desacoplo C1 y C2 (100 nF cerámicos X7R) proporcionan bypass de alta frecuencia y baja impedancia en cada dominio de alimentación.

Cuando ningún dispositivo del bus (maestro o esclavo) transmite un nivel bajo, las líneas de drenador abierto en ambas secciones se mantienen en nivel alto por sus respectivas resistencias pull-up: las líneas de 3,3 V se sitúan en +3,3 V y las de 5,0 V en +5,0 V. Para ambos transistores Q1 y Q2, la puerta está a +3,3 V y la fuente a +3,3 V, dando una tensión puerta-fuente exactamente nula (VGS = VG - VS = 3.3V - 3.3V = 0 V). Dado que VGS está muy por debajo de la tensión umbral (VGS(th) = 0.8\dots 1.5 V), los MOSFET permanecen completamente en corte. La sección de mayor tensión de 5,0 V queda aislada de la sección de 3,3 V, evitando sobretensiones y corrientes de fuga hacia las entradas del microcontrolador de 3,3 V.

Cuando un dispositivo activo en la sección de 3,3 V conmuta a nivel bajo, lleva la fuente del MOSFET hacia masa (VS ≈ 0 V). Como la puerta se mantiene fijada a +3,3 V, la tensión puerta-fuente aumenta bruscamente a VGS = 3.3V - 0V = 3.3 V, muy por encima del umbral máximo de 1,5 V. El MOSFET se enciende completamente, presentando un canal de conducción de baja resistencia (RDS(on) ≤ 6.0 Ω). La corriente de la resistencia pull-up de 5,0 V fluye a través del canal conductor hacia masa mediante el driver de 3,3 V, situando la línea de 5,0 V en el nivel bajo correspondiente (VOL2 = VOL1 + Ipull-up · RDS(on) ≤ 0.4 V).

Cuando un dispositivo activo en la sección de 5,0 V conmuta a nivel bajo, lleva el drenador del MOSFET hacia masa. Inicialmente, el canal del MOSFET no conduce. Sin embargo, el diodo intrínseco de sustrato del MOSFET de canal N tiene su ánodo en la fuente (lado de 3,3 V) y su cátodo en el drenador (lado de 5,0 V). Al caer la tensión de drenador por debajo de aproximadamente 2,6 V, el diodo de sustrato queda polarizado en directo y empieza a conducir, reduciendo la tensión de fuente mediante su caída de tensión directa (VS = VD + VSD ≈ 0.7 V). Cuando la tensión de fuente desciende por debajo de 3.3V - VGS(th) ≈ 1.8 V, VGS supera el umbral y el canal de inversión se activa. Una vez que el canal conduce, cortocircuita la caída del diodo, llevando la línea de 3,3 V a un nivel bajo limpio que coincide con el nivel del excitador de 5,0 V.

Cuando el excitador de nivel bajo en cualquier lado libera el bus, ambas líneas comienzan a ascender hacia sus respectivos carriles de alimentación. Inicialmente, mientras la tensión de la línea es inferior a VDD1 - VGS(th), el MOSFET en conducción mantiene ambos lados acoplados, subiendo al unísono. Una vez que la línea de baja tensión supera VDD1 - VGS(th) ≈ 1.8 V, VGS cae por debajo del umbral y el MOSFET se apaga. A partir de ese instante, las dos secciones del bus se cargan de forma independiente: la sección de 3,3 V a través de R1/R2 con constante de tiempo \tau1 = Rp · Cb1, y la de 5,0 V a través de R3/R4 con \tau2 = Rp · Cb2. Esto desacopla eléctricamente la capacitancia del bus de alta tensión de la sección de baja tensión, mejorando la integridad global de la señal.